Акустооптические диаграммоформирующие устройства для много элементного солнечного радиотелескопа Мансырев, Михаил Ибрагимович

Введение к работе

Актуальность работы. Зависимость состояния межпланетной среде, магнитосферы и атмосферы Земли от солнечной активности рбус-іавливает необходимость систематических наблюдений солнечных явле-іий в различных диапазонах волн. Значительная информация о процессах, происходящих на Солнце, в частности, о механизме зарождения и развития активных областей, вспышек и всплесков поступает с его радиоизлучением. Поэтому понятен тот большой интерес, который проявляется к исследованию радиоизлучения Солнца.

Для исследования структуры и эволюции активных обр., ований на Солнце необходимы радиотелескопы, которые при высоком пространственном и временном разрешении позволяют проводить наблюдения в течение длительного времени (сопровождать Солнце) с возможностью получения результатов наблюдения в реальном масштабе времени, что необходимо не только для изучения динамики солнечной активности, но и для современного использования полученных данных на прогностических центрах.

Перечисленным требованиям не удовлетворяют крупные универсальные радиотелескопы, например, такие как VLA, WSRT, OWRO и другие 11*.2*,3*], так как они либо эпизодически используются для наблюдения Солнца, либо не могут работать в режиме длительного сопровождения.

Хотя универсальные радиотелескопы и вносят значительный вклад в физику Солнца, для наблюдения Солнца создаются специальные крупные радиотелескопы - радиогелиографы, предназначенные только для солнечных наблюдений, которые наиболее полно удовлетворяют перечисленным требованиям. К таким радиотелескопам относятся, например, радиогелиограф в Кулгуре (Австралия) U*l, новый радиогелиограф радиоастрономической обсерватории в Нобеяма (Япония) [5*3, наиболее современно оснащенный инструмент. К таким инструментам относится и Сибирский солнечный радиотелескоп [6*.7*]. Все эти солнечные радиотелескопы представляют собой многозлемектнке корреляционные радиоинтерферометры различной конфигурации (кольцевой, крестообразный, Т-образный и др.) и должны иметь в своем составе систему формирования радиоизображения Солнца, возможности которой в значительной степени определяют и возможности всего інструмента в целом.

- г -

' До последнего времени системы формирования изображения выполнялись обычно на осноеє электронных фильтров [7* ] или цифровых устройств [5*]. В настоящее время, в связи с прогрессом в развитии оптоэлектроники появилась возможность создания новых акустоопти-ческих систем формирования радиоивобракения Солнца, в которых осуществляется синтез многолучевых диаграмм направленности. Такие акустооптические (АО) диаграммоформирующие устройства значительно проще электронных и цифроьых систем и позволяют легко адаптировать параметры радиотелескопа к условиям наблюдения.

Несмотря на большие потенциальные возможности, АО диаграммо-формирувдщие устройства ранее практически не использовались в радиоастрономии, и для их внедрения в практику радиоастрономических наблюдений необходимо было решить ряд задач, связанных как с разработкой принципов созданья таких устройств, так и с возможностью их использования в радиоприемных комплексах солнечных радиотелескопов. Поэтому тема диссертации, М.И.Мансырева, посвященная разработке и исследованию новых АО диаграммоформирующих устройств и их внедрению в практику радиоастрономических наблюдений, является актуальной.

Рассмотренные в диссертации АО диаграммоформирующие устройства разрабатывались применительно к Сибирскому солнечному радиотелескопу (ССРТ), однако они могут быть испольеованы для синтеза изображения Солнца и в других многоэлементных радиотелескопах, например в радиотелескопе РАТАН-600, в котором предполагается реализовать режим радиогелиографа с помощью разработанных автором АО устройств [8? 9*].

Цель работы состояла в разработке принципов создания АО диаграммоформирующих устройств для многоэлементных радиогелиографов, создании макета такого устройства и его использовании для наблюдения Солнца на Сибирском солнечном радиотелескопе.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать структуру адаптивного диаграммоформирухщего АО устройства, в котором' управление параметрами осуществляется с помощью матричного ЕЭС фотоприемника (ПЗС ФП) и ЭВМ.

2. Провести теоретический анализ работы АО диаграммоформирующих устройств, позволяющих осуществлять различные режимы работы ССРТ. -

3. Исследовать характеристики ССРТ с АО диаграммоформируюяшм устройством,

4. Разработать оптические схемы АО процессоров, позволяющих осуществлять аддитивный, корреляционный, а также совместный режимы работы ССРТ.

5. Разработать макет АО диаграммоформирующего устройства и опробовать его при наблюдениях Солнца на ССРГ.

На защиту выносится:

1. Принципы создания и методика расчета АО диаграммсформирую-щих устройств, позволяющих осуществлять аддитивный, нереляционный и совместный режимы работы ССРТ.

2. Структура АО диаграммоформирующих устройств формирования изображения, выполненных на основе АО спектроанализатора и АО слектрокорреля тора.

3. Оптическая схема АО диаграммоформирующего устройства, позволяющего осуществлять совместный резким работы ССРТ.

4. Результаты расчета диаграмм направленности ССРТ с АО диаг-раммоформируищими устройствами.

5. Реаультаты экспериментального исследования характеристик макета АО диаграммоформирующего устройства и его использования в составе приемного комплекса ССРТ.

6. Результаты наблюдения Солнца на ССРТ с помощью нового АО диаграммоформирующего устройства, показывающие, что использование разработанного устройства позволило значительно улучшить параметры ССРТ, в частности увеличить временное разрешение, и тем самым расширить наблюдательные возможности этого радиотелескопа.

Практическая ценность работы заключается в расширении наблюдательных возможностей и повышении эффективности Сибирского солнечного радиотелескопа за счет использования нового АО диагр.зА<мо-формирущего устройства. Такое АО устройство, помимо существенного упрощения приемной системы ССРТ, позволило значительно повысить временное разрешение радиотелескопа и осуществлять адаптацию его параметров к условиям наблюдения.

Разработанные в диссертации АО устройства, выполненные на основе АО процессоров и ПЗС фотоприемников, могут быть использованы не только на ССРТ, но и на радиотелескопах других типов, а также в системах оптической обработки сигналов различного назначения. В качестве примера в приложении 1 приведено краткие опкеанке рзара-

_ 4 -ботаикых автором малогабаритних АО анализаторов спектра радиосиг-«адов с различными параметрами. Научная новизна.

7. Впервые в радиоастрономии для наблюдения Солнца использовано АО диаграм.юформирувдее устройство, в котором для создания многолучевой диаграммы направленности используется пространственное разделение частотных каналов, соответствующих отдельным лучам диаграмш.

8. Раьраоотана структура, алгоритм работы и методика расчета нового АО дизграмыофоршфующего устройства для ССРТ, которое состоит из АО процессора, матричного ПЗС фотоприемника и управляющей ЭВМ, и может Сыть использовано не только на ССРТ, но и на других многоэлементных радиотелескопах. Разработанное АО устройство позволяет осуществлять программным способом адаптацию характеристик радиотелескопа к условиям наблюдения за счет изменения параметров АО процессора.

9. Разработан и исследован новый способ корреляционной обработки сигналов ССРТ, основанный на использовании оптического процессора в виде АО спектрокоррелятора. Предложена схема АО процессора, позволяющего осуществить совместный (аддитивный и корреляционный) режим работы ССРТ.

10. Предложен способ повышения временного разрешения ССРТ с АО диаграммоформирующим устройством (для аддитивного режима работы ССРТ) за счет аналоговой обработки выходных сигналов ПЗС фотоприемника.

11. Разработан маїсет АО диаграммоформирующего устройства, на основе которого создан новый приемный комплекс ССРТ, позволивший существенно увеличить временное разрешение ССРТ и впервые в отечественной практике приступить к наблюдениям быстропеременных всплесков микроволнового излучения Солнца *).

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в.течение 1S87 - 1993 гг. в рамках НИР, проводимых в Санкт-Петербургском государственном техническом университете в соответствии с координационными планами Научных советов Академии наук по

) В создании нового приемного комплекса и проведении наблюдений принимали учгстио сотрудники СПоТТУ и ИСЗФ СО РАН И.И.Саенко.С.А. Ыолодяков, Т.А.Тресков, В.В.Грэчнев, С.В.Лесовой, Л.Е.Качев и др.

- 5 -проблемам "Радиоастрономия" и "Голография", межвузовскими научно-техническими программами "Оптические процессоры" и "Научное приборостроение", а также в рамках госбюджетных НИР,

Результаты работы использованы в Институте солнечно-земной физики СО РАН (ИСЗФ СО РАН) при создании нового приемного комплекса СОРТ, на крупнейшем радиотелескопе сантиметрового диапазона РА-ТАН-600 при создании нового широкополосного спектрального комплекса, а также в ряде учреждений Академии наук и отраслевых НИИ при разработке оптических систем обработки радиосигналов различного назначения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-171 и докладывались на 1 и И Всесоюзных конференциях по оптической обработке информации (г. Ленинград, 1988 г., г. Фрунзе, 1990 г.), на ХХП Всесоюзной конференідии "Радиотелескопы и интерферометры" (г. Ереван, 1990г.), на международной школе-семинаре "Acoustooptics: researches and development" (г. Ленинград, 1990 г.), на IV конференции "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе" (г. Геленджик, 1992 г.), на международной конференции по оптической обработке информации (г. Санкт-Петербург, 1993), на XXIV Генеральной Ассамблее URSI (г. Киото, Япония, 1993), на XXV радиоастрономической конференции (г. Пущино, 1993 г.), на международном симпозиуме SPIE "Optical engineering in aerospace sensing", 4-8 апреля 1994 г. (г. Орландо, США) а также на научных семинарах Санкт-Петербургского государственного технического университета и Института солнечно-земной физики СО РАН.

' Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, и списка литературы. Обший объем работы 189 стр., в том числе 102 стр. основного машинописного текста, 60 стр. рисунков, 8 таблиц, 10 стр. приложений и 12 стр. библиографии, содержащей 113 наименований.

Во введении приводится обоснование актуальности работы. Сформулированы цель, задачи, решаемые в диссертации, и поло;».«н«, выносимые на затдоту. Кратко рассмотрено содержание диссертации.

Первая глава (Многоэлементные радиотелескопы для исследования радиоизлучения Солнца) является обзорной, в ней кратка¹ рагоътреич крупнейшие радиогелиографы и особенности построения аитснш.ж еда-

тем и систем формирования радиоизображения в таких инструментах.

Приведено более подробное описание Сибирского солнечного радиотелескопа. Рассмотрены основные режимы работы СОРТ: аддитивный, когда используется один из линейных радиоинтерферомегров (плеч), образующих крест и корреляционный, в котором формируется карандашная диаграмма направленности (ДН) всей крестообразной антенной системы. Показано, что принятый в ССРТ метод получения радиоизоб-ракения Солнца, основанный на использовании многолучевой ДН, требует создания многоканального по частоте диаграммоформирующего устройства. Для оптимальной работы ССРТ его диаграммоформирущее устройство должно иметь не менее 106 частотных каналов с переменными параметрами: полосой пропускания и частотным интервалом между соседними каналами. Приведены структура и возможности используемого в ССРТ ISO-канального фильтрового диаграммоформирующего устройства с фиксированными параметрами частотных каналов, отмечены его недостатки.

Рассмотрены возможности использования в ССРТ новых диаграммо-формирующих устройств, построенных на основе акустооптических процессоров с D3G фотоприемниками (ПЗС (HI), управляемыми от ЭВМ. Показано, что АО диаграммоформирующие устройства (АОДУ) могут быть построены на базе АО спектроанализатора (АОС) (рис.1) и АО спект-

регистрации 1

Рис. 1. -Принцип работы АОдиаграшоформирущего устройства.

рокоррелятора (АОСК) с двухканальным АО модулятором. Пространственное разделение частотных каналов в этих устройствах выполняется о помощью АО модулятора (АОМ) и ПЗС ФП. Формирование частотных каналов с изменяемыми параметрами осуществляется путем изменения числа объединяемых сигналов с соседних элементов ГОС фотоприемника.

Рассмотрены особенности формирования многолучевой карандашной ДН в корреляционном режиме при использовании диаграммоформируюїдих устройств на основе АОС и АОСК.

Вторая глава (Теоретический анализ работы акустооптического диаграммоформирующего устройства) посвящена анализу работы АО ди-аграммоформирующих устройств построенных на баае спектр.', диализатора и спектрокоррелятора.

Получены выражения для интенсивности дифрагированного света в выходной плоскости АО процессоров с учетом распределения интенсивности радиоизлучения Солнца, ДН СОРТ и энергетической аппапратной функции АО процессора. Выбран алгоритм обработки интерферограммы в выходной плоскости АОСК, регистрируемой матричным ПЗС ФП.

На основании полученных выражений рассмотрено формирование частотных каналов АОДУ с изменяемыми параметрами с учетом функции пространственной чувствительности элементов ПЗС ФП R(f-(,) . Показано, что формы частотных характеристик отдельных каналов АОС и АОСК идентичны. Получено выражение для частотной характеристики отдельного канала АО диаграммоформирующего устройства, которое имеет вид: l«jM - ..».>.,

J L«(j-i)Mt1 —

где h(f) - энергетическая аппаратная функция АО процессора, f- частота сигнала, I - номер элемента з строке ПЗС ФП, М - число объединяемых элементов ПЗС ФП, составлявших один канал, j - номер частотного канала, f_t - частота, соответствующая центру I -го элемента фотоприемника.

Определены выражения для ДН ССРТ в аддитивном и корреляционном режимах с учетом характеркстщ. АО диаграммоформирующего устройства.

Обсуждаются возможности реализации совместного режима работы ССРТ, в котором' наблюдения проводятся параллельно отдельными линейными интерферометрами и всей крестообразной системен в целом.

- в -Предложена схех.а АО процессора, на базе которого может быть создано диаграшоформирующее устройстЕО, реализующее совместный режим. Это дает возможность проводить непрерывное сопровождение Солнца (аддитивный режим) и периодически получать двумерные карты его радиоизлучения (корреляционный реаилО.

Третья глава (Характеристики ССРТ с акустооптическим диаграм-моформируюлим устройством) посвячена теоретическому исследованию диаграммы направленности ССРТ с АО диаграммоформирующим устройством.

Здесь проведено исследование частотных характеристик отдельного канала с учетом функции пространственной чувствительности реального П5С Ш при различном числе объединяемых элементов фотоприемника.

Проведен расчет форш частотной характеристики отдельного канала АОДУ для различных соотношений ширины функции пространственной чувствительности элемента ЮС ФП и аппаратной функции АО процессора. Результаты проведенного расчета позволили выбрать параметры АО процессора, обеспечивающие высокую прямоугольность частотных характеристик отдельных каналов при допустимой неравномерности в полосе пропускания. Приведена оценка избирательности АОДУ для соседних каналов.

Проведен расчет сечений ДН ССРТ с АОДУ для аддитивного и корреляционного редимов с учетом формы частотных характеристик отдельных каналов и углочастотной зависимости положения ДН при азимутах 0' 90. Расчет проведен для идеальных (прямоугольных) частотных характеристик и реальных частотных характеристик, формируемых АО диаграшоформирущим устройством. Показано, что уширение ДН для реальных частотных характеристик составляет не более 1,5% по сравнению со случаем идеальной характеристики.

Определены необходимые пределы изменения числа объединяемых элементов ПЗС ФП, составляющих один канал, для аддитивного и корреляционного режимов с учетом траектории движения Солнца в течение дня для летнего, зимнего солнцестояния и равноденствия.:

. Четвертая глава (Зісспериментальное исследование акустоопти-ческих диаграммсформируицих устройств) посвящена рассмотрению разработанных АО процессоров (спектроанализатора и спектрокорредято-ра) для АО диаграшоформирущего устройства и результатов акспери-

- э -ментального исследования их характеристик в лабораторных условиях.

Разработка макетов проводилась с учетом необходимости их использования совместно со штатным СВЧ приемником ССРТ, который имеет четырехканальный выход по промежуточной частоте с полосой каждого канала 28 МГц и центральной частотой 70 МГц. Исходя из этих условий бил проведен выбор элементов АО процессоров.

Спектроанализатор был выполнен. на основе одноканального АО модулятора со звукопроводом из кристалла Те0₂ , а спектрокорреля-тор - на основе двухканального ДОМ из того же материала с расстоянием меаду каналами d - б мм. При выбранных параметрах процессора это соответствовало периоду интерференционной картины в выходной плоскости 48 мкм, равному удвоенному периоду расположения элементов ГОС фотоприемника, что необходимо для предложенного алгоритма обработки выходного сигнала ПЗС ФП.

Центральная частота обоих макетов составляла 70 МГц, полоса частот - 28 МГц, а разрешающая способность - 0.1 МГц. Это позволило реализовать дискрет изменения полосы отдельного частотного канала и частотного интервала меаду соседними каналами, равный ОД МГц, и при изменении числа объединяемых элементов М в ТЕЗО ФП в пределах от 2 до 10, осуществлять необходимую адаптацию параметров ССРТ к условиям наблюдения.

В главе приведены результаты измерения частотных характеристик отдельных спектральных каналов АОДУ при различных М, которые хорошо совпадают о расчетными характеристиками, полученными в главе 3. Приведены также результаты экспериментального исследования влияния параметров АО спектрокоррелятора на выходной сигнал частотного канала, что позволило сформулировать требования к точности расположения оптических элементов и идентичности характеристик пространственных каналов АО модулятора.

Рассмотрены особенности автоматизированного комплекса на основе системы КАМАК и ЭВМ типа IBM PC/AT, созданного для исследования характеристик АО процессоров.

В пятой главе (Использование акустооптического диаграммофор-мирующего устройства на ССРТ) рассмотрена работа АО диаграммофор-мирующего устройства на базе АОС в составе приемного комплекса j ССРТ. В ней приводятся результаты наблюдения Солнца на атом радиотелескопе с помощью АОДУ. Пробные наблюдения с АО устройством про-

- 10 -водились, начиная с 1987 г. В настоящее время АО устройство используется при проведения регулярных наблюдений Солнца.

В главе рассмотрена структура приемного комплекса СОРТ с АОДУ, приведена его амплитудная и частотная характеристики. Показана возможность устранения неравномерности коэффициента усиления отдельных частотных каналов АОДУ за счет специальной калибровки ло шумовому сигналу. Приведен алгоритм обработки выходных отсчетов ПЗС фотоприемника для получения двух параметров Стокса: интенсивности (I) и циркулярно поляризованной составляющей (V) принимаемого радиоизлучения Солнца. Приведены результаты одновременного наблюдения Солнца с помощью АО и фильтрового диаграммоформирующего устройств, которые показали их полное соответствие.

Для примера на рис.2 показаны кривые проховдения Солнца (в одном частотном канале), полученные на СОРТ с помощью АО устройства для параметров Стокса 1 и V. На кривых отмечены локальные источники (Ж), наиболее сильный из которых ШЦ) имеет большую циркулярно поляризованную составляющую.

Проведенные исследования показали, что применение АО диаграммоформирующего устройства позволило значительно увеличить временное разрешение ССРТ, доведя его до десятков миллисекунд и приступить к наблюдениям тонкой временной структуры всплесков в радиоизлучении Солнца, что является одним ив существенных достоинств нового АО устройства.

В главе рассмотрены пути дальнейшего развития АО диаграммо-формирующих устройств, в частности рассмотрены возможности увеличения временного разрешения.

В заключении приведены основные результаты работы.

В приложении 1 кратко рассмотрены АО анализаторы спектра АОС-1 и АОС-2 с полосами анализа 55 и 500 МГц соответственно, которые разработаны на основе АО процессора АОДУ, используемого на ССРТ. Спектроанализатор АОС-1 выполнен на основе АО модулятора со авукопроводом из кристалла Те0₂ и имеет частотное разрешение о$~ 130 кГц, а число частотных каналов N - 1000. Спектроанализатор АОС-2 выполнен на основе АО модулятора со звукопроводом из кристалла LtNb0₃ и имеет частотное разрешение 1 МГц при таком же числе частотных каналов. В диссертации приводятся результаты использования аначизатора АОС-1 в спектральном комплексе радиотелескопа РА-TAU-G0O при наблюдениях линии излучения водяного пара.

Рис.2. Кривые прохождения Солнца для двух ' параметров

Стокса: интенсивности I (а) и циркулярно поляризованной

компоненты V (б) принимаемого радиоизлучения Солнца.

- 12 -В приложении 2 проведен расчет влияния параметров АО процессора спектрокоррелятора на выходной сигнал отдельного частотного канала.