Автоматизация спектральных наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600 с использованием аналоговых анализаторов спектра Морозов, Александр Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы.

Проблема автоматизации процесса наблюдений на спектральном комплексе РАТАН-600 является очень актуальной.

Конструктивные особенности радиотелескопа РАТАН-600 обеспечивают работу одновременно на ряде длин волн, что в сочетании с наличием нескольких типов анализаторов спектра, широкими полосами анализа, большим числом каналов анализаторов спектра определяет огромный поток информации.

Высокие требования к точности и достоверности получаемой информации в этих исследованиях сочетаются с необходимостью обеспечить оперативную обработку данных и управление всеми системами спектрального комплекса в реальном масштабе времени. Все это, а также необходимость накопления и хранения больших объемов информации диктуют необходимость использования средств автоматизации и вычислительных машин в процессе спектральных исследований.

В 1977 г. на облучателе Х& радиотелескопа РАТАН-600 была введена в эксплуатацию аппаратура управления радиоспетрометром [1*,2*], которая позволила в значительной степени автоматизировать все операции стандартной программы спектральных наблюдений, включая управление частотой гетеродина, и сбора данных, передаваемых для регистрации и обработки в ЭВМ. Аппаратура обладала высокой надежностью и в течении семи лет успешно эксплуатировалась при выполнении спектральных наблюдений. На основе накопленного опыта к 1984 г. была завершена разработка более совершенной аппаратуры для одновременного управления работой и сбором данных двух радиоспектрометров.

К этому времени были существенно расширены методические возможности применяемых радиоспектрометров: разработан импульсно-компенсационный метод и его комбинации с модуляционным методом С3*,4*], внедрена методика измерений с шумовым пилот- сигналом и модуляцией усиления [5*,6*], с появлением промышленных синтезаторов частоты типа 46-31 назрела необходимость в создании новой системы управления частотой гетеродинов, наличие микро-ЭВМ в

кабине облучателя позволило значительно увеличить поток регистрируемой информации и открывало возможность управления процесом наблюдения непосредственно от машины.

Возросли и аппаратурные возможности спектрометрического комплекса - он включал в себя четыре штатных спектральных приемника на волны 21 см , 18 см , 6.2 см и 1.35 см , а в дополнение к штатному 40-канальному анализатору спектра с разрешением 30 КГц [2*] разрабатывались 100- канальный фильтровой анализатор с разрешением 15 КГц [7*], 128- канальный цифровой автокорреляционный анализатор [8*] с более высоким разрешением по частоте и широкополосный акустооптический анализатор спектра [9*].

В связи с этим для более эффективного использования РАТАН-600 был создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий компоновать из перечисленного выше комплекта аппаратуры два независимых радиоспектрометра с различным спектральным разрешением и с их помощью проводить наблюдения одновременно на двух (из четырех возможных) длинах волн, соответствующих штатным спектральным приемникам.

Созданный комплекс позволяет обеспечить автоматизированную работу двух радиоспектрометров с использованием новых методических возможностей и сбор служебной и измерительной информации от двух радиоспектрометров с фильтровыми анализаторами спектра для регистрации и обработки в ЭВМ.

При проведении спектральных исследований в радиоастрономии все более заметную роль играют спектрометры на основе акустооп-тических анализаторов спектра (АОС), которые по ряду параметров, таких как широкополосность, число спектральных каналов, экономичность, компактность, надежность и др., превосходят традиционные фильтровые и автокорреляционные спектрометры.

Начиная с 1975 года [II*], регулярно публикуются сообщения о создании и использовании АОС в практике радиоастрономических наблюдений. В настоящее время многие радиоастрономические обсерватории оснащены акустооптическими спектрометрами (12*-20*), которые используются для решения различных астрофизических задач. Характерное для АОС число реализуемых спектральных каналов составляет около Ю³ и полоса анализа порядка 500 МГц при использовании в анализаторе спектра одноканальних акустоптических

- Б -

модуляторов.

Постоянно проводимые работы по повышению качества антенной поверхности РАТАН-600, а также введение в эксплуатацию нового облучателя "тип V", позволят реализовать программы наблюдений в миллиметровом диапазоне длин волн, а также смещенных по z спектральных линий от объектов на космологических расстояниях, где широкая полоса анализа АОС имеет огромное значение.

В связи с этим работы по созданию акустооптических анализаторов спектра являются своевременными и актуальными. Работа по внедрению в практику наблюдений на РАТАН-600 акустооп-тического анализатора спектра проводилась совместно с сотрудниками СПоТТУ¹ [14,17].

Таким образом диссертация посвящена следующим основным направлениям повышения эффективности спектрального комплекса РАТАН-600:

1. развитию автоматизации процесса наблюдения;

2. расширению.полосы анализа принимаемого сигнала.

Цель работы.

Основной целью работы являлось расширение наблюдательных возможностей спектрального комплекса РАТАН-600 за счет автоматизации спектральных наблюдений и использования широкополосного акустооптического анализатора спектра.

В связи с этой целью были поставлены следующие задачи'

3. разработка аппаратуры для автоматизированных систем управления и сбора данных спектрального комплекса;

4. разработка принципов создания многоканальной цифровой части спектрального комплекса, способной работать с анализаторами различных типов;

3. разработка программного обеспечения проведения наблюдений
различных радиоастрономических источников с фильтровым ана
лизатором спектра;

Сотрудниками СПбГТУ был разработан и изготовлен акустооптичес-кий Фурье-процессор.

і. разработка программно-аппаратного комплекса, позволяющего стыковать акустооптический и фильтровой анализаторы спектра с цифровой частью спектрометрического комплекса;

5. проведение спектральных наблвдений различных космических источников с использованием разработанной аппаратуры.

Научная новизна, научное и практическое значение.

Впервые в практике отечественной радиоастрономии для спектральных наблюдений внедрен ЮОО-канальный акусто-оптический анализатор спектра с полосой анализа 50 МГц.

Разработаны и внедрены в постоянную штатную эксплуатацию системы автоматизированного управления, сбора и регистрации данных, позволяющие проводить наблюдения одновременно с двумя фильтровыми спектрометрами.

Разработаны принципы построения многоканальной цифровой части, осуществляющей синхронную демодуляцию и накопление полезного сигнала, способной работать с анализаторами спектра различных типов и создана соответствующая аппаратура.

Создан пакет программ, обеспечивающих автоматизированную подготовку аппаратуры к наблюдениям и позволяющих проводить спектральные наблюдения в различных вариантах: с сопровождением источника за счет управляемого движения первичного рупора, долговременных наблюдений, наблюдений опорных источников с последующей выдачей результатов их обработки.

Личный вклад автора.

Автором лично выполнены:

5. Разработка и внедрение систем управления и сбора данных спектрального комплекса на основе аналоговых анализаторов спектра (фильтрового и акустооптического).

6. Разработка программного обеспечения, позволяющего проводить автоматизированную подготовку спектрометра к наблюдениям и обеспечивающего работу аппаратуры в реальном масштабе времени.

7. Разработка принципов построения многоканальной цифровой

части радиоспектрометра, позволяющей реализовать синхронную демодуляцию и накопление принимаемых сигналов и способную работать как с акустооптическим, так и с фильтровым анализаторами спектра.

4. Создание цифровой части акустооптического анализатора спектра.

При участии автора выполнено:

8. Внедрение в практику наблюдений широкополосного акустооптического анализатора спектра.

9. Создание двухуровневого программно аппаратного комплекса, позволяющего проводить автоматизированные наблюдения с возможностью сопровождения источника за счет управляемого движения первичного рупора СБЧ приемника в пределах безаберрационной зоны.

10. Создание пакета программ проведения наблюдений в различных модификациях с аналоговыми анализаторами спектра.

11. Разработка методики проведения автоматизированных наблюдений с использованием фильтрового и акустооптического анализаторов спектра.

Основные положенияі выносимые на защиту.

12. Разработка и внедрение систем, способных осуществлять автоматизированное управление двумя фильтровыми спектрометрами одновремено, сбор и регистрацию данных с этих спектрометров.

13. Разработка и внедрение пакета программ проведения спектральных наблюдений с фильтровым и акустооптическим анализаторами спектра.

14. Разработка принципов и создание многоканальной цифровой части спектрального комплекса* способной работать с анализаторами различных типов.

15. Результаты поисковых исследований:

а) линии гидроксила в комете Галлея»

б) излучения Юпитера во время падения кометы SL-9;

в; поиска излучения линии молекулярного иона Н^ в атмосфере

Юпитера и в радиоисточнике Стрелец В2> г> переменности содержания водяного пара в средней атмосфере

Земли-

Апробация работы.

Основные результаты диссертации изложены в 18 печатных работах [1+18] и докладывались на XIV Всесоюзной радиоастрономической конференции по аппаратуре, антеннам и методам (Ереван, 1982 г.)і XXIII Всесоюзной радиоастрономической конференции (Пущино, 1993 г.). международной конференции по оптической обработке информации (Санкт-Петербург, 1993 г.), XXVI радиоастрономической конференции (Санкт-Петербург, 1995), на научных семинарах ОАО РАН, СПОТТУ.

Структура и объеи диссертации.

диссертация состоит из Введения , 4 глав и Заключения. Общий объем диссертации /32. страниц, из них /OS"страниц текста, страниц фотографий,30 рисунков и таблиц. Библиография содержит 7S наименований.