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

N

На правах рукописи

Круглое Сергей Константинович

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

Специальность 05.13.05 - Элементы н 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

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Есснкина Нэля Александровна

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Молодяков Сергей Александрович

Официальные ошюненты:

доктор технических наук, профессор Ирофсси Апитолнй Александрович, кандидат технических наук, доцент Рогов Андрей Николаевич

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

на заседании дисссртационш ,, . . . >

государственного технического университета по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая 29, корпус9,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного т ехнического университета

Защита состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

К.П. Дураншш

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 обработку 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 оптоэлектроннке. 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 обработай 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 поддфжка во многом универсальны. В качестве оптической части процессора наибольшее распространение получили аку-стооптическне 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 фотоприемник, обеспечивающий связь оптической и цифровой частей ОЦ процессора. Фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) позволяют

обеспечить эту связь оптимальным образом, 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 контроллеры для управления Г13С-фотоприемниками. .

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

Несмотря на большие потенциальные возможности ОЦ процессоров дня спектрального анализа, они начали использоваться в радиоастрономии сравнительно недавно и для их внедрения в практику радиоастрономических наблюдений необходимо было решить ряд задач, 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 дассертации вопросы создания радиоспектрометров на базе ОЦ процессоров разрабатывались применительно к радиотелескопу РАТАН-600. Однако, полученные в диссертации результаты могут использоваться н на других радиотелескопах для спектральных наблюдений, а также при создании систем формирования изображения Солнца в радиогелиографах [2", 3*], робототехнических и других систем.

К началу настоящей работы были известны лишь публикации, касающиеся использования ОЦ радиоспектрометров за рубежом. Однако о этих публикациях практически отсутствовали сведения о структуре и алгоритме работы таких спектрометров,не были рассмотрены особенности использования ПЗС-фотоприсмников в ОЦ спектрометрах и другие важные вопросы, необходимые для использования таких снекгрометров в радиоастрономии. Публикации по использованию ОЦ спектрометров в отечественной радиоастрономии практически отсутствовали. Тем не менее отечественные радио-, 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 использованием ФПЗС.

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. .

Па защиту выносятся.

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 экспфиментального 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 алгоритмы 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 обработай сигналов, реализованные с помощью ГОС-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-контроялсры, которые позволяют реализовать предварительную обработку сигнала 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 PATAI I-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 спектрального 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-фотопригмиикоз, 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 оптической обработке информации (г.Ленинград, 1988), на XXI Все-

?

союзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура" (г. ЕревАн, 1989), на IV конференции с международным участием "Приборы с заревой связью и системы на их основе". (г.Гелсндасик, 1992), на международной конференции по оптической обработке информации (г. С-Петербург, 1991), на XXV радиоастрономической конференции (г.Пущино, 1993), на XXVl радиоастрономической конференции (г.С-Пстербург, 1995), Всесоюзной di-учно-практической конференции "Инновационные наукоемкие технологйи для России" (С-Петербург, 1995), а также на научных семинарах CaHttt-Петербургского государствашого технического университета и Слециа)&-ной астрофизической обсерватории РАН. Л

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Р рервой главе кратко рассмотрены методы спектрального анализе сигналов в радиоастрономии. Проведен сравнительный анализ используй мых в радиоастрономии аналоговых (фильтровых), цифровых (автокорреляционных) и новых оптико-цифровых (акустооптических) 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 фильтровые и автокорреляционные спектрометры. Функциональная гибкость, которой обладают ОЦ процессоры, особенно важна при большом многообразии спектральных задач в радиоастрономии, решение которых требует разработки радиоспектрометров с параметрам)* (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 !|*сти, основными элементами которой являются йрточник когерентного оптического излучения, акустооптический модулятор (АОМ) и Фурье-линза (ДО); аналоговой части, включающей ПЗС-фотоприемннк (ФПЗС), усилитель видеосигнала (ВУ), формирователи управляющих сигналов (ФС), впалою-цифровой преобразователь (АЦП); цифровой части, состоящей из -контроллера и цифрового процессора.

Рис.1. Структурна» схема ОЦ процессора да а спектрального анализа

В ОЦ процессоре оптическая часгп. обгепкчивлет выполнен»? ннте-цмльйых преобразований. В нашем случае она осуществляет Фурье-{феобразовани: принимаемых радносш налов. Аналоговая чагп> - преобразование отнчсского распределения спектра радиосигнала в цифровую форму и предваритсдьн}Ю обработку сигнала в аналоговом виде на Ф113С. Цифровая часть обсспечцэиет накопление данных и хряненно результатов шаерепнй, необходимую точность и ¿мбкссть шпоритмоа !г>слмууюшей обработки данных.

ОЦ 1фоцегсор подключен к "ЧВМ, обсспгитяошсЯ анкрактивиий режим обработки, сшгфоштцню работы 1леи.ч№>в и (мвигочицио полученных результатов. На «ход ОЦ чрои'хеора ностумаег сш»тл примежу-

точной частоты (ипч) после преобразования в суиергетеродинном приемнике.

Оптическая 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 часта между оставшимися частями ОЦ процессора. Такое распределение функций заключается в переносе простых, но занимающих значительное время операций, из управляющей ЭВМ в специализированные, аппаратно реализованные устройства. Автором предложено выполнять ряд операций предварительной обработки сигнала в аналоговой (зарядовой) форме непо-. средственно на кристалле ПЗС-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 обработки 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 фогоприемник изображения, соответствующего различным'полупериодам 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 перекшочасгся 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: линейность процесса накопления и суммирования, линейность преобразования

сигнала; однородность чувствительности злементов; отсутствие шумов и неэффективности переноса заряда. Приведенная схема может рассматриваться, как линеаризованная моделытреобразовпния сигнала в Ф1ПС.

Ня основе рассмотренной линеаризованной модели Ф1ПС и про-странетненно-нремеинон структуры оптического, сигнала в ОЦ процессоре проанализированы возможности но сжатию сил налов на ФГ13С, предложены и исследованы специальные режимы обработки имнульсно-модулированпых оптических сигналов, соответствующих модуляционному режиму работы спектрометра (режим виртуальных элементов и различные режимы синхронною накопления), определены требования к необходимой структуре Ф1ПС. Рассмотрены возможности реализации таких режимов как для л!шейных, так и для матричных Ф1 ПС.

При режимах синхронного накопления зарядовых пакггов в Ф113С выполняется раздельное накопление спектра радиосигналов антенны и эквивалента н разных элементах фотоприемника. Так для матричного ФПЗС предложено сенсорное поле фотонриемника разбить на зоны накопления и зоны хранения зарядовых пакетов. При синхронном с частотой модуляции накоплении путем реверсивных переносов зарядовые пакеты зон хранения регулярно перемешаются в зону накопления. Ьлягодари -»тому осуществляется раздельное накопление кадров, соответствующих разным полупгрио-дам модуляции входного сигнала. Минимальное количество зон - три:две зоны хранения и одна - накопления. Количество строк в зонах.и расстояние между зонами определился проецируемым изображением и особенностями рабои.) фоюнржмннка.

Для оценки искажений зарядовых пакетов во время перепоен заряда в 1ГК-регистре применялась имитационная модель переноса зарядовых пакетов, разработанная с использованием работ [4*, 5*] Модель переноса зарядовых пакетов построен): ппоснове .чнекретного представления.. физических процессов, протекающих в Ф!ГК\ П'К'-яченка рассмафпнается как •лемен 1, имеющий свободный заряд У" и заряд связанный с объемными и понсрхносщыми ловушками 1.' - номер ячейки, к - момент времени). При переносе заряда в 1ПС-ре| метре выделены три этапа формирования заряда: перенос нмекущен яче|шн в следующую и получение отпавшего заряда У'ип '. приход ново» о заряда и) предыдущей ячейки н в результате термо-гепернцнн ; перераспределение зарядов между лопушками и несвязанным зарядом. Ня пгрпых двух этапах перенося формируются заряды:

. "<?,**! -<?Го«т+<?Г„р.

где Ки - коэффициент лпффектнпиостн перенося свободного заряд«; Ко • постоянная г енерации с ловушек; Кс- постоянная потер/, заряда с ловушек"; Кт - постоянная термогенерапии дня пустой потенциальной ямы; Л - постоянная, оирелеляюшня уменьшение термси енеряпии 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 ло-вушклми и пгргрнггфедрггенце зарядов в ячейке протекает в зависимости от величины пришедшего заряда и количества свободных ловушек. Гказанное определяется следующими соотношениями:

если О!"1 >1,,-^''. то С?!"1 -р*" -(1.0 1*'' -V.

сст.д^' ¿1-0 -^'' . то IV • <^"-0;

где 1-е - средняя емкость ловушек в ПЗС-ячсйкс.

Параметры модели (Кь, 1С.), Кь 1л) определялись по искажению шек-тркчсски вводимых зарядовых цакешн. Данная модель была использована при моделировании режимов прямо) о и реверсивного переносов зарядовых пакетов в ФИЧС. (' помощь моде ш определены требования к размерам зон накопления и хранения и количеству циклов при реализации предложении* алгоритмов синхронно! о накопления.

В заключение 1 ¡п.иы представлены результат исследовании разраГкь шнных и нснолыованных режимов рабшы ФП'К', которые позволили сф фмулирошнь грсГкшишш к устройствам управления ФПЧС - П'К'-кон-троллсрам нсистеме обработки анналов с ФШС - многоканальным цифровым нптеграюрйм.

Третья г лава посвящена описанию разработанных ОЦ процессоров. D процессе работы быт« разработаны и исследованы два ОЦ процессора для спектрального анализа на базе объемных акустооптическнх члементоп*: широкополосный анализатор спектра с пологой яняшза 500 МГц при частотном разрешении 0 9 МГц и разработанный специально для спехтрально-ю комплекса радиотелескопе РАТАИ-600 высокоразрешакмциИ анализатор спектра с полосой анализа 53 МГц при частотном разрешении 105 МГц. Проведено также исследование интегрально-оптического анализатора спскгра', который отражает одно из перспективных нагфавлепнй развития ннтегрялыюй оптики, как базы для разработки оптико-цифровых систем обработки информации Интегрально-оптический анализатор имел полосу янапнзя .VM) МГц при частотном разрешении 3.5 МГц.

Оптическая часть обоих объемных акустооптическнх анализатором спектра выполнена по традиционной схеме с расположением злементов на одной поверхности опорной плиты. П качестве источника оптического излучения использовался гелий-неоновый лазер iicnpcpiJDiiot о излучения ЛГН-207Л. Широкополосный анализатор выполнен на основе акустоонтн-чегкою моду лятора со звукшфоподом из кристалла ннобата лития l.iNbOj, выгокоразрешакмннй на основе акустооптнческого модулятора со звуко-проволом из кристалла пяратгллурита ТеО?, В качестве выходных устройств анализа горой нсполь-швались линейные Ф! ПС тина К1200ЦЛ1 И • К12<Х)| JJJ5. имеющие 10Ш и 1024 фоточувезвительныд злементов соответственно . Оба анализа шра были выполнены о виде отдельных модулей с размерами 400x250x100 мм\

Значительные уашня в ходе выполнения работы бьиш направлены на разработку схсмотсхничсских злементов аналоговой н цифровой частей ОЦ процессоров.

Н аналоговой части разработвнных и исследованных Ol I процессоров использовались Ф|ПС различных типов; К1200ЦЛ1. К1200ЦЛ5. К1200ЦЛ7, и ;ф. Каждым из нсполыонанных ФПЧСимел свои аруктурные и злектри-ческие особенности,закис как число и размер pciHcipoB, число фаз убавлении и i л Позюму, для каждою из использованных типов ФПЗС был разработан и изготовлен по единой структурной схеме аналоговый модуль,

•Лкустоотическис у*лы ОЦ |фопессороз разработаны совмеспю с сотрудниками кяфелры рялнофнткн С1161ТУ.

t Инjciральнын «кустчиичмжий узел выполнен в НИИ "Дельта" j Москва

который включал АЦП. видеоусилитель, формирователи управляющих сигналов, стабилизированные вторичные источники питания, а также приемопередатчики, обеспечивающие связь аналогового модула с цифровой частью ОЦ процессора. Особенность разработок была Связана с реализацией нестандартных режимов работы фотоприемника и обеспечением высокой (около 0.1%) точности преобразования. В работе для задачи регистрации шумоподобных сигналов показано, что ОЦ процессор должен имегь разрядность АЦП в зависимости от радиометрического выигрыша от 7 до 13 двоичных разрядов.

11ри разработке цифровой част рассмотрено два подходя к аппаратно-программному решению ОЦ процессора.

(>днн и > подходов. который был использован в ОЦ пронгссорс для радиотелескопа I'A IА H-GOO, связан с созданием двух специализированных устройств; 11Ч('-кошроллсра и многоканально) о цифровою Htneipaiopa, выполненных на базе микросхем жесткой лотки В работе представлены алгоритмы работы, функциональные схемы и временные дна!риммы разработанною универсального ПЗС-контроллера, который только обеспечивает нестандартные режимы работы различных типов Ф1 ПС, и выполняет синхронизацию работы ОЦ процессора, СНЧ приемника и управляющей ЭВМ. Многоканальный цифровой интегратор обеспечивает первичную обработку данных поступающих с аналогоной части ОЦ процессора, и пргл-павлмет собой два независимых (ИУ с арифметическими уороисшами. Он обсеисчииаст синхронную демодуляцию и непрерывное нока>ц>овос накопление оцифрованных ок'чс юн с Ф1ПС.

/(ругой подход к реализации цифровой чисти Oil процессора снизан с использование!.? быароденегвующею микропроцессора, который обеспечивал бы реализацию необходимою набора операций. Приводится схема разработанного устройства на базе цифровою сигнального процессора.

Разработанное npoi рнммное обеспечение (И I процессора обеспечивает ею работу в набора юрных усывнях и в сосшнс спекфальши о комплекса раднотсжскона I'AlAll-MHt iu нипах vtai'ipoiiMt, leempoiiamm. паГиьыс-IUU и вторичной обрибоии. Особенность программною обеспечения ОЦ процессора определялась с одной стороны, жесткими требованиями рабоми процессора в заданном временном режиме, а с друюй • ne«6x«;uiMOkTbk> обеспечить гибкость в изменении режимов работы ОЦ процессора с учегом многообразия спектральных задач в радиоастрономии Иокяиио. что в разработанных ОЦ процессорах можно про|р«ммиым способом п<мснуи>

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

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

Приведены результаты экспериментальных исследований ФПЗС в режимах реверсивных переносов. Показано, что введение 5% "жирного нуля" в ПЗС-регистр полностью заполняет ловушки зарядом и существенно уменьшается искажение зарядов при переносах. Для матричного ФПЗС К1200ЦМ7, 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 ретистр. Дня 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 амшштудные характеристики разработанных макетов ОЦ процессоров. Показано, что при фоновой подсветке достижимый динамический диапазон составляет 25 дБ.

Проведено экспериментальное исследование широкополосного анализатора спектра на основе ОЦ процессора, результаты которого подтвердили возможность создания широкополосного спектрального комплекса.

В пятой главе рассмотрена работа ОЦ Процессора Ti состайс спектрального комплекса радиотелескопа РАТАН-600..'.Приведено- описание спектрального комплекса РАТАН-600, мет одика и результаты тестирования характеристик ОЦ процессоров, а такжё результаты Наблюдения линии излучения водяного пара в средней атмосфере Земли на волне 1.33 см выполненные с помощью разработанного ОЦ процессора на спектральном комплексе радиотелескопа РАТЛН-6001.

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

* Наблюдения были »гроведены совместно с сотрудниками CAO РАН.

образователь частоты, систеиу управления и управляющую ЭБМ. В качестве сигнала эквивалента использовался как внутренний генератор, так и внешний сигнал. Синхронизация работы комплекса осуществлялась с помощью ПЗС-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 спектрометра.

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 >.33 см, выполненные с помощью ОЦ спектрометра на спектральном комплексе РДТАП-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 водякого пара, которые показывают, что на интервале времени порядка суток существенно менялся как общее содержание молекул Н/1 в исследуемом диапазоне высот, так и высота хорошо известного локального максимума содержания 1ЬО в интервале от 50 до 65 км. Распределение молекул НгО с пысотой используется радиоастрономами для построения сзанларгпых моделей атмосферы, расчетов поглощения радиоволн в слое I) ионосферы.

Полученные результаты цодожрдшш эффективность предложенных решений и псрсцекишносгь ишотьзевания ОЦ процессоров для слсхтраль-ных наблюдений а радиоастрономии.

В заключении приведены основные резулттати работы.

В пу.чложснии кратко рассмотрена возможность использования разра-(ютанниг ОЦ процессоров дгс» нолярнешнонных неелгдоввпнй радишеду-чеиия Солнца - определения ишеношностн шлучения (параметр Стокса I)

и циркулярно-полярнзованной составляющей (параметр Стокса V). Особенность наблюдений Comma 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. Есепккна Н. А., Круглов С. К., Ирусс-Жуковский С. В. и др. Широкополосный акустооптичсскин спектрометр//Тезисы докладов 1 Всесоюзной конф. по оптической об р. 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//OpticaI 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 lazcrs//Jornal of Modem 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//ХХ1 Всес. конф. 'Радиоастрономическая аппаратура".: Тезлок. -Ереван, 1989.-С. 182.

б.,Есепкина Н. А., Круглов С. К., Прусс-Жуковский С. В. и др. Широкополосный акустооптический спектрометр//Акустооптические устройства. Сб. научных трудов. - Л.:изд. ФТИ, 1989. - С. 131-137.

7. Есепкнна H. Д., Круглов С. К., Морозов А. С. и др. Цифровой комплекс ахустооптнческого спектрометра. - Препршгг CAO АН ССС)Р, ^ЗЛ. -Л.:етд.ЛИЯФ.-1990.-25с. "

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

9. Есепкина Н. А., Круглов С. К., Саенко И. И. и др. Применение ФПЗС в оптоэлапгронной системе обработки радиоизбрвжения Солнца на Си-

б1грском солнечном радиотелескопе//Прнборы 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 М. I. et al. Wideband acoustooptic spectroradiomster for radioastronomical researches//Proc. SPIE. - 1993.- Vol. 2051. -P. 694-698.

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

12. Есспкииа Н. А., Круглов С. К., Саенко И. И. и др. Характеристики аку-стооптичсских спектрометров для радиоастрономических исследова-HH¿i//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. Isslcd. (Izv. SAO). - 1993.- N35. - P. 155-160.

14. Решение о выдаче патента от 05.06.95 по заявке N94-025910/25 51МГ1К 6G01J3/433, G01R 23/17. Оптоэлектропный модуляционный спектро-метр/Есепкина Н. 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 МЮ8-СП6. - СПб,

. 1995,-27 с.

16. Госачинский И. В., Есепкнна Н. А., Круглов С. К. и др. Использование акустооптического анализатора спектра для наблюдения линии излучения 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. Акустооптическне 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 ir-.-ge 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 PAT АН-¿00 в режиме радиогелиогр'афа. - Препринт CAO РАН N96. - Нижний Архыз, . 1992.'- 32с.,..' - ' , -, ■ .'.

4*. Левин С.А., Пресс Ф.П., Хотянов Б.М/И др. Математическая модель. ПЗС для машинного расчета интегральных, микросхем. //Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. - М;: Сов. радио, 1978. -Вып.з-с.58-74. ;; V■'^.

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