Разработка и создание цифрового спектрального анализатора для повышения качества радиоизображений сибирского солнечного радиотелескопа

Изменчивость развивающихся в атмосфере Солнца пространственно-временных структур и процессов представляет интерес как с точки зрения физики плазмы, так и с точки зрения прогноза геоэффективных явлений, воздействующих на околоземное космическое пространство. Радиоастрономические наблюдения дают информацию о параметрах плазмы в короне, магнитных полях активных областей и вспышечных процессах, что, в свою очередь, позволяет получать данные об электромагнитной, радиационной и геомагнитной обстановке в ближнем космосе.

Сибирский солнечный радиотелескоп (ССРТ) — один из крупнейших радиоастрономических инструментов мира, предназначенный для изучения солнечной активности в микроволновом диапазоне в полосе частот 5670— 5790 МГц. Радиоизображение Солнца формируется в результате вращения вместе с Землей веерной диаграммы направленности, образованной с помощью многочастотного приема. Многочастотный прием реализуется с помощью 500-канального акустооптического приемного устройства.

Основными задачами ССРТ являются:

• исследование микроволнового излучения солнечных вспышек на всем солнечном диске;

• локализация источников быстропротекающих процессов в солнечной короне с целью изучения механизмов первичного энерговыделения во вспышечных областях;

• получение радиоизображений слабых деталей в атмосфере Солнца путем накопления сигнала во времени;

• наблюдение активных областей на всех стадиях их развития на фоне излучения спокойной солнечной атмосферы;

• исследование выбросов корональной массы на фоне излучения солнечного диска.

Во многих областях науки и техники, в частности и в радиоастрономии, 7 стремительный рост производительности цифровых устройств привел к тенденции более раннего перехода аналогового сигнала в цифровую форму. Появление быстрых и сравнительно недорогих аналого-цифровых преобразователей позволяет устанавливать их непосредственно на антенне, что позволяет избавиться от нестабильностей аналоговых линий передачи и повысить соотношение сигнал/шум при передаче радиосигналов устройствам обработки. Но настоящим прорывом в области цифровой обработки сигналов стало молниеносное развитие цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), которые стали одним из основных элементов специализированных систем обработки сигналов. Данные устройства позволяют наиболее эффективно реализовать алгоритмы, требующие высокой вычислительной производительности, такие как быстрое преобразование Фурье, цифровая корреляция и цифровая фильтрация.

В экспериментальной астрофизике эффективность радиоастрономического инструмента, а также качество получаемой с его помощью информации в значительной степени зависит от параметров приемного устройства. Настоящая работа посвящена изучению потенциальных возможностей и недостатков реализации корреляционного режима работы ССРТ с акустооптиче-ским приемником (АОП) и разработке цифрового приемного устройства нового поколения для обеспечения наиболее эффективной работы ССРТсложного, уникального инструмента, для которого не всегда применим опыт, накопленный на других радиотелескопах. В соответствии с вышесказанным можно сформулировать цель и область исследования работы.

Целью работы является повышение качества радиоизображений Солнца, получаемых на Сибирском солнечном радиотелескопе. При этом были поставлены и решены следующие задачи:

— минимизация эффектов, связанных с паразитной амплитудной модуляцией, возникающей при использовании метода фазовой модуляции для формировании синфазного/противофазного сигнала;

— разработка и создание программно-аппаратного комплекса регистрации данных ССРТ с помощью цифрового спектрального анализатора на базе ПЛИС;

— внедрение созданного приемного комплекса в наблюдения солнечной активности на ССРТ.

Научная новизна.

В результате исследований разработан и реализован оригинальный метод регистрации двумерных изображений Солнца на ССРТ при помощи цифрового спектрального анализатора. При этом переход к цифровому виду сигнала происходит на более ранней стадии, чем в существующих приемных системах подобного рода, до операции получения синфазного/противофазного сигнала.

Проведена серия ежедневных наблюдений на ССРТ. Показано, что с помощью цифрового спектрального анализатора возможны одномерные и двумерные наблюдения Солнца.

Показана возможность создания многоканального анализатора спектра мощности на базе ПЛИС общего назначения для получения спектра широпо-лосного сигнала в режиме реального времени.

Впервые разработана и реализована методика демультиплексирования данных во временной области, позволяющая обрабатывать требуемую полосу частот в реальном времени на скорости в несколько раз меньше, чем требуется по критерию Найквиста.

Научное и практическое значение.

Использование новых принципов и методов регистрации сигналов ССРТ с помощью созданного цифрового спектрального анализатора позволяет полностью избавить радиоизображения Солнца от эффектов паразитной амплитудной модуляции.

Так как калибровка радиотелескопа осуществляется по самому регистрируемому изображению, избавление полезного сигнала ССРТ от амплитудной модуляции, позволит проводить фазовые калибровки радиоинтерферометра с большей точностью.

Использование разработанного цифрового спектрального анализатора при регистрации одномерных сканов позволяет увеличить чувствительность инструмента в & раз.

Важнейшим качеством предлагаемой методики является то, что она применяется на алгоритмическом уровне, а не на физическом и не требует какой-либо аппаратной модернизации для изменения параметров приемного устройства.

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

Методика демультиплексирования отработана и проверена на компьютерных моделях с использованием интерактивного языка обработки данных ГОЬ. Экспериментальные данные, полученные с использованием тестовых сигналов, идентичны разработанным теоретическим моделям реализации спектрального коррелятора. Физические данные, полученные с помощью цифрового анализатора, совпадают с данными радиоизображений Солнца, полученных с использованием акустооптического приемника. Цифровой спектральный анализатор используется в наблюдениях микроволнового излучения Солнца на Сибирском солнечном радиотелескопе.

Личный вклад автора заключается в разработке методов анализа спектра мощности и алгоритмов для их реализации при расщеплении входных данных, создании комплекса программ и 1Р-ядер на основе разработанных методик сбора и первичной обработки данных. Автору принадлежат выводы и научные положения, сформулированные в диссертацион.

10 ной работе. Основные результаты диссертации, опубликованные в работах, являются оригинальными и получены либо автором, либо при его непосредственном участии. Постановка задач, разработка методики демультиплексирования входных и восстановления корреляционных данных выполнены совместно с научным руководителем.

Апробация диссертации и публикации.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

1. Automation, Control and Information Technology — 2005. Novosibirsk.

2. Всероссийская конференция «Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности». 2006. САО РАН, Нижний Архыз, КЧР.

3. Радиоастрономическая конференция «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов России». 2008. САО РАН, Нижний Архыз, КЧР.

4. Всероссийская конференция «Солнечно-земная физика», посвященная 50-летию создания ИСЗФ СО РАН. 2010. Иркутск.

5. CESRA summer school on solar radio physics. 2010. Nancy, France.

6. Всероссийская астрономическая конференция «Методы и инструменты — 2010». САО РАН, Нижний Архыз, КЧР.

7. 13Л European Solar Physics Meeting ESPM-13. 2011. Rhodes, Greece.

8. The XI Russian-Chinese conference on space weather. 2012. Irkutsk.

9. Всероссийская радиоастрономическая конференция «Радиотелескопы, аппаратура и методы радиоастрономии» ВРК-2011. Санкт-Петербург, а также на семинарах отдела радиоастрофизики и на семинарах радиоастрофизической обсерватории лаборатории мониторинга солнечной активности ИСЗФ СО РАН.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработка спектрального анализатора:

• метод вычисления корреляционной функции при расщеплении входного потока данных на несколько субпотоков;

• реализация данного метода с использованием ПЛИС.

2. Цифровой спектральный анализатор в качестве регистрирующего устройства ССРТпозволяет:

• избавиться от паразитной амплитудной модуляции, связанной с манипуляцией фазы для получения синфазных/противофазных компонент сигнала плечей восток-запад (ВЗ) и север-юг (СЮ);

• получать одномерные сканы ВЗ — СЮ и ВЗ + СЮ одновременно без модуляции фазы принимаемых сигналов;

• одновременно регистрировать одномерные сканы ВЗ и СЮ;

• вести запись исходных корреляционных данных и варьировать характеристики спектральных каналов приемника при обработке данных наложением оконных функций на исходные корреляционные данныесохранить принцип получения изображения на ССРТ и использовать уже существующий комплекс программного обеспечения сбора и обработки данных.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация общим объемом 120 страниц, в том числе 32 рисунка и 5 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и трех приложений.

4.6 Выводы.

Исследование радиоизлучения Солнца с пространственным разрешением с помощью метода частотного сканирования требует специальных методик наблюдений, обработки и анализа данных. Это особенно существенно, когда исследуемые временные, пространственные и спектральные масштабы одного порядка с инструментальными ограничениями. Данная глава посвящена методикам обработки данных ССРТ: обработки используемых при исследовании вспышечных событий двумерных изображений и одномерных массивов — пространственных и временных профилей.

Показана возможность альтернативного цифрового способа получения синфазно/противофазного сигналов плечей интерферометра, что соответствует общей тенденции «цифра ближе к антенне». В данной главе описано принципиальное различие методов получения синфазно/противофазного сигналов плечей интерферометра.

Приведенные характеристики цифрового спектрального анализатора показывают его применимость к задачам ССРТ. Увеличенный динамический диапазон и стабильность цифровых характеристик облегчают анализ и обработку данных, а легкость и гибкость изменения характеристик приемника позволяет говорить о его применимости к другим задачам измерения спектра.

Заключение

.

Проект ССРТ, предложенный в первой половине 60-х годов, в полном объеме реализовался, пожалуй, только к 1993 году. Казалось бы, инструмент имел все возможности безнадежно устареть, однако, удивительно жизнеспособными и перспективными оказались и заложенные в его основу принципы, и ряд технических решений, принятых в процессе разработки и создания его систем, поэтому и в настоящее время инструмент не теряет своей актуальности и не исчерпал возможностей дальнейшего развития и модернизации.

В результате проведенной работы был разработан и создан цифровой спектральный анализатор для регистрации сигналов Сибирского солнечного радиотелескопа, позволяющий проводить регулярные наблюдения солнечной активности в диапазоне 5640 — 5775 МГц в одномерном и двумерном режимах.

Разработана и реализована методика демультиплексирования входных данных во временной области, позволяющая обрабатывать требуемую полосу частот на скорости в несколько раз меньшей, чем по критерию Найквиста при реализации на ПЛИС. Данная методика позволяет использовать несколько ПЛИС для измерения корреляционной функции, обеспечивая тем самым практически неограниченный прирост скорости и объема производимых вычислений.

Проведен ряд наблюдений микроволнового излучения Солнца с июня 2011 года. Обеспечено регулярное получение двумерных радиоизображений Солнца и корреляционных данных с помощью цифрового спектрального анализатора.

В заключение автор считает своим долгом выразить глубокую признательность своему научному руководителю кандидату физико-математических наук Лесовому C.B. Настоящая работа стала возможной благодаря разносторонней помощи доктора физико-математических наук, профессора Алтынцева А. Т., кандидата физико-математических наук Зандано-ваВ.Г. и всего коллектива Отдела радиоастрофизических исследований ИСЗФ СО РАН.