Содержание к диссертации
Введение
1. Методы исследования процессов в ионосфере 21
1.1. Классические методы исследования ионосферы 21
1.2. Интерференционные методы исследования ионосферы 28
1.3.Выводы 37
2. Доплеровский фазоугломерный комплекс «Спектр» 39
2.1 .Структура доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр» 39
2.2. Цифровое радиоприемное устройство измерительного комплекса «Спектр» 51
2.3. Программное обеспечение доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр» 61
2.4.Оценка точности угловых измерений комплекса «Спектр» 66
2.5.Периодические вариации доплеровских сдвигов частоты ионосферного сигнала. 74
2.6. Выводы 77
3. Аппаратное обеспечение эксперимента 79
3.1.Нестационарность сигналов в радиофизических измерительных системах. 79
3.2. Применение спектрометров высокого разрешения 87
3.3. Программатор импульсных последовательностей 89
3.4. Система термостатирования 94
3.5. Программа управления 101
3.6. Процессор цифровой обработки сигналов в системе управления и цифрового приема 102
3.7. Выводы 106
4 Спектральная обработка сигналов наклонного зондирования ионосферы с помощью параметрических методов 108
4.1 .Структура моделей идентификации систем 108
4.2.Метод разложения по функциям с гибкой структурой и применение его к задаче спектрального оценивания 113
4.3.Сравнение эффективности методов спектрального оценивания 119
4.4.Применение метода разложения по функциям с гибкой структурой к ионосферным сигналам 126
4.5. Выводы 131
Заключение 133
Приложение 135
Литература 144
- Интерференционные методы исследования ионосферы
- Программное обеспечение доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр»
- Применение спектрометров высокого разрешения
- Процессор цифровой обработки сигналов в системе управления и цифрового приема
Введение к работе
Актуальность работы.
Радиоволны различных диапазонов при распространении в околоземном пространстве подвергаются воздействию со стороны плазменной оболочки Земли -ионосферы. Наибольшему влиянию со стороны ионосферы подвержены электромагнитные волны коротковолнового (KB) диапазона (1-30 МГц). В зависимости от текущих параметров ионосфера в KB диапазоне может, как способствовать передаче информации на дальние расстояния, вплоть до кругосветных, так и препятствовать даже на коротких радиотрассах из-за проявления эффектов многолучевости и частотной дисперсии. Иногда приходится сталкиваться и с полным разрушением канала связи за счет эффектов аномального поглощения [1,2]. Несмотря на неустойчивый характер распространения радиоволн KB диапазона и в настоящее время продолжают оставаться актуальными проблемы исследования ионосферных каналов радиосвязи для обеспечения оптимального проектирования цифровых систем передачи данных и систем пеленгации источников радиоизлучения (втом числеоднопозиционных).
Не менее важны и ионосферные исследования, связанные с мониторингом глобальных процессов в термосфере Земли. Ионосферная плазма чувствительна к электрическим и магнитным полям и подвержена воздействиям, как из космического пространства, так и с поверхности Земли (включая антропогенные). Ионосфера, являясь средой распространения различного рода волн (внутренних гравитационных, акустических и др.) [3], реагирует на внешние воздействия изменением своих параметров, что позволяет отслеживать протекание аномальных явлений различной природы и, зачастую, предсказывать их [4,5,6].
Проводить исследования динамических процессов в ионосфере можно на основе анализа интерференционной картины в точке приема, на основе информации о вариациях амплитуды сигнала, доплеровских сдвигов частоты и углов прихода радиоволн. Эту задачу можно решить, используя метод частотно - пространственно разнесенного приема (ЧПРГТ) [7]. В отличие от методов пространственного разделения радиолучей по углам прихода с помощью антенных решеток (подобные системы обычно состоят из 10 и более антенн и имеют характерные размеры антенного поля до единиц километров), метод ЧПРП не требует больших антенных полей (требуемые характерные размеры десятки метров). Используя метод ЧПРП, можно создавать измерительные системы с малогабаритными и сравнительно дешевыми антенными системами и малым количеством приемных каналов. При использовании метода ЧПРП разделение радиолучей проводится в частотной области на основе информации о частотных и фазовых параметрах принимаемого сигнала после проведения спектральной обработки сигналов в точках разнесенного приема. Подобные системы могут обеспечивать непрерывный мониторинг ионосферных параметров, используя узкополосные сигналы постоянно действующих KB станций (точного времени, радиовещательных) [7]. Дополнительный толчок в развитии интерференционные методы получили вследствие быстрого развития современных средств аналоговой и вычислительной техники, методов аналогово - цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов
Системы ионосферного мониторинга существуют по всей поверхности планеты. В России подобная сеть на основе цифровых ионозондов и доплеровских систем развернута в Восточной Сибири (Иркутск, Якутск, Жиганск, Норильск). Она ориентирована, в основном, на исследования высокоширотной ионосферы и авроральных эффектов. Подобные исследования на западной территории России в последнее время проводятся нерегулярно. Создание системы пассивного мониторинга ионосферы в Казанском университете позволяет с малыми финансовыми затратами расширить существующую
сеть измерительных систем и дополнить базу экспериментальных данных о среднеширотной ионосфере
Одним из факторов, ограничивающих применимость метода ЧПРП к исследованиям процессов в ионосфере, является нестационарность этих процессов Нестационарность исследуемых процессов приводит к ограничению частотной разрешающей способности при применении классических методов спектрального оценивания Для ионосферных сигналов разрешение ограничено временной апертурой 20 - 300 сек в зависимости от условий распространения Обеспечиваемое в наихудшем случае спектральное разрешение 0 05 Гц (для времени стационарности 20 сек) не удовлетворяет требованиям по разделению соседних спектральных составляющих ионосферного сигнала, тк довольно часто частотный сдвиг между ними существенно меньше (<0 01 Гц) Неполное разделение спектральных составляющих приводит к резкому ухудшению точностных характеристик при определении углов прихода и невозможности раздельного определения доплеровских сдвигов частоты для различных мод распространения.
Перечисленные выше ограничения относятся к так называемым непараметрическим (классическим) методам спектрального оценивания В их основе, как правило, лежит гармонический анализ Фурье, обеспечивающий спектральное разрешение обратно пропорциональное времени анализа Параметрические методы спектрального оценивания (ПМСО) могут улучшить спектральное разрешение при том же времени анализа Разработка и применение новых ПМСО позволяет существенно улучшить разрешение близкорасположенных спектральных линий [10], расширяя возможности применения метода ЧПРП. Поскольку алгоритмы ПМСО относятся кчислу некорректно поставленных задач [8,9], то достоверность получаемых результатов сильно зависит от вида шума и особенностей измерительного тракта Численный эксперимент не всегда позволяет оценить помехоустойчивость ПМСО и решить задачу верной интерпретации результатов из-за несоответствия используемых моделей реальному шуму Особенности измерительного тракта в численном эксперименте, как правило, вообще не учитываются
[И]
Из дополнительных трудностей, привносимых в эксперимент ионосферой, следует отметить не только постоянную изменчивость ее параметров, но и сложность интерпретации результатов и неповторяемость условий проведения эксперимента Это затрудняет объективную оценку результатов использования ПМСО
Для обеспечения проверки качества работы ПМСО на реальных сигналах, прежде чем использовать их в ионосферном эксперименте, можно использовать временные ряды, полученные в измерительных приборах с близкими к ионосферным системам характеристиками Главным требованием, предъявляемым к системе, в этом случае становится обеспечение высокого уровня повторяемости и более легкой интерпретации результатов, чем в ионосферном эксперименте Подобными свойствами обладают системы для исследования явления ядерного - магнитного резонанса (ЯМР) Динамические и шумовые характеристики измерительных трактов их подобны характеристикам трактов радиолокационных систем и многие из них используют радиосигналы KB - диапазона По спектральному составу ЯМР сигналы похожи на доплеровские спектры ионосферных сигналов, а разрешающая способность при оценивании спектрального состава для сигналов ЯМР ограничена временами релаксации исследуемых образцов (аналог времени стационарности) Расстояния между спектральными пиками также имеют характерные разносы со значениям 0 01 - 10 миллионных долей (МД) рабочей частоты Однако, в случае исследования сигналов ЯМР можно обеспечить многократную повторяемость условий эксперимента и можно предсказывать результат, используя хорошо изученные образцы [12]
Таким образом, метод ЧПРП позволяет создавать высокоэффективные системы непрерывного, пассивного ионосферного мониторинга Область применения измерительных систем ЧПРП можно расширить за счет внедрения современных методов спектрального оценивания Для проверки разрабатываемых методов спектрального оценивания можно использовать не только численное моделирование и ряды экспериментальных ионосферных данных, но и временные ряды, получаемые с помощью управляемого генератора сигналов со сложным спектром, в качестве которого используется спектрометр для исследования вещества методом ядерного магнитного резонанса.
Цель и основные задаче диссертационной работы.
Основной целью работы является повышение точностных характеристик доплеровских и интерференционных систем дистанционного радиомониторинга ионосферы
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1 Создание многоканального автоматизированного фазоугломерного комплекса
мониторинга ионосферы с применением антенной системы с малой базой
(характерные размеры меньше длины волны) в режиме наклонного зондирования
узкополосными сигналами KB - диапазона
-
Получение количественных оценок предельно достижимых точностных характеристик доплеровского фазоугломерного измерительного комплекса дистанционного ионосферного мониторинга и создание механизмов компенсации ошибок
-
Экспериментальное определение частотно-фазовых характеристик сигналов, отраженных и рассеянных ионосферой
-
Создание методов и систем для тестирования алгоритмов спектрального оценивания на основе измерительных комплексов ядерного магнитного резонанса
-
Разработка методов параметрического спектрального оценивания с повышенной разрешающей способностью для оценивания спектральных характеристик ионосферных сигналов в системе дистанционного мониторинга ионосферы
-
Проведение сравнительного анализа эффективности методов спектрального оценивания при работе с сигналами отраженными от ионосферы
Научная новизна.
Разработан и создан комплекс дистанционного мониторинга ионосферы Экспериментально подтверждена возможность использования антенной системы с малой базой (характерные размеры меньше длины волны) для использования в угломерных измерениях ионосферного сигнала с высокой точностью
Получены оценки точности измерения углов прихода в KB - диапазоне для доплеровского фазоугломерного комплекса с малой базой Для измерения углов прихода создана антенная система несимметричная в горизонтальной плоскости
В результате внедрения адаптивных механизмов компенсации ошибок аппаратурные погрешности измерений имеют размер на порядок меньший, чем ошибки, определяемые сложным спектральным составом сигнала и процессами в среде распространения
Впервые метод спектрального оценивания на основе разложения по функциям с гибкой структурой применен к сигналам ионосферного зондирования и к сигналам ядерного магнитного резонанса.
Научная и практическая значимость.
Создан многоканальный автоматизированный доплеровский фазоугломерный комплекс ионосферного мониторинга с антенной системой с малой базой Комплекс успешно применяется для решения задач ионосферного мониторинга.
Разработаны методики проведения длительных измерений в автоматическом режиме
на трассах наклонного зондирования ионосферы в KB - диапазоне Разработано программное обеспечение для доплеровского фазоугломерного комплекса
Разработаны алгоритмы для реализации метода спектрального оценивания на основе разложения по функциям с гибкой структурой Алгоритмы применены к сигналам наклонного зондирования ионосферы
Проведены длительные циклы измерения с помощью доплеровского фазоугломерного комплекса с использованием сигналов различных KB - радиостанций Накопленный материал позволяет проводить анализ длинных временных рядов данных при изучении процессов в нижней термосфере Земли
Полученные результаты представляют интерес при создании систем пеленгации источников излучения в KB диапазоне
Проведенная модернизация ЯМР - спектрометра высокого разрешения "Tesla BS-587" позволяет использовать его радиочастотные блоки совместно с современными средствами вычислительной техники, а результаты измерений сохранять на долговременных IBM PC совместимых носителях информации
Созданные узлы малогабаритного микропроцессорного ЯМР релаксомегра -диффузометра с гибким управлением и программное обеспечение используются в измерительных системах и в учебном процессе
Основные положения, выносимые на защиіу:
Методики определения углов прихода радиоволн в KB -диапазоне на основе результатов измерений доплеровского фазоугломерного комплекса наклонного зондирования ионосферы с использованием узкополосных сигналов и антенной системы с малой базой
Оценки достижимых точностей измерительной системы с малой базой при использовании в режимах доплеровского и интерференционного радиозондирования ионосферы и методики компенсации ошибок
Методика оценки применимости параметрических методов спектрального оценивания к ионосферным сигналам с привлечением сигналов другого физического происхождения, полученных радиофизическими методами на сходной радиоаппаратуре (ЯМР сигналы)
Методика и результаты применения разработанного параметрического метода спектрального оценивания с повышенной разрешающей способностью к сигналам наклонного зондирования ионосферы Результаты сравнения разработанного метода спектрального оценивания с методом Прони, показывающие его преимущества в применении к ионосферным сигналам
Личный вклад автора.
Основные результаты диссертации получены либо лично автором, либо при его прямом участии
Автором разработаны блок - схемы и схемы электрические принципиальные комплекса дистанционного мониторинга ионосферы Автором разработаны методики проведения эксперимента, измерительное и управляющее программное обеспечение для комплекса ионосферного зондирования
Автором разработаны методики анализа и на их основе получены количественные оценки достижимых точностей при измерении угловых характеристик ионосферного сигнала на основе доплеровского фазоугломерного измерительного комплекса с малой базой
Совместно с Бочкаревым В В разработан новый алгоритм спектрального оценивания на основе метода разложения по функциям с гибкой структурой Характеристики алгоритма проверены на различных рядах модельных и реальных экспериментальных
данных
Автором созданы автоматизированные системы сбора данных на основе ЯМР -спектрометров высокого разрешения и релаксометров Полученные экспериментальные временные ряды применены автором при тестирование алгоритмов спектрального оценивания.
Автор принимал участие в постановке задач и проведении нескольких длительных циклов измерений в период с 1989 по 2003 гг
Апробация результатов.
Основные результаты работы опубликовывались в Российских и международных реферируемых научных журналах и представлялись на конференциях: «Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой» (г Звенигород, 1989), на XVI, XVII, XVIII, ХГХ, XX Всесоюзных (Всероссийских) конференциях по распространению радиоволн (Харьков, 1990, Ульяновск, 1993, С-Петербург, 1996; Казань, 1999, Н Новгород, 2002), Структура и динамика молекулярных систем. (Йошкар-Ола, 1998), XII школе-конференции по дифракции и распространению радиоволн (Москва, 2001), LVII Научной сессии посвященной дню Радио (Москва, 2002), Всероссийской конференции «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002), на VI, VII Байкальских международных школах по фундаментальной физике (Иркутск, 2003, Иркутск, 2004), Международной конференции по антеннам и распространению радиоволн (Киото , Япония, 1996), Международной конференции СГТ (Аустин, США, 1997), на XXXIII, XXXIV, XXXV ассамблеях COSPAR (Варшава, Польша, 2000; Хьюстон, США, 2002, Париж, Франция, 2004), на XXV генеральной ассамблее EGS (Ницца, Франция, 2000), на III и V международных конференциях "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 2000; Москва, 2002), на III международной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ» (Таганрог, 2003), на V международной конференции "Проблемы геокосмоса" (Санкт-Петербург, 2004), на К Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, 2004), на XI Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2004), на XIV международной Крымской конференции "СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 2004), а также докладывались на научных семинарах и ежегодных отчетных конференциях Казанского Государственного Университета (1992 - 2004).
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 80 печатных работах (10 в рецензируемых журналах, 32 в реферируемых сборниках и трудах конференций, 38 в виде тезисов докладов) и 4-х научно-исследовательских отчетах
Реализация результатов работы.
-
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении госбюджетных тем кафедр радиоастрономии и радиофизики Казанского государственного университета. Темы «Разработка перспективных дистанционных методов и средств диагностики состояния ионосферы» N гос. per. 01910050058, 1991 - 1995 гг. (исполнитель); «Исследование физических характеристик верхней атмосферы и солнечно - земных связей радиофизическими методами»» N roc per 01970008271, 1996 - 2000 г г. (исполнитель), «Радиофизические основы информационных систем» N roc per 01200203344,2001-2005 г г (исполнитель),
-
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении следующих проектов
РФФИ 98-03-33178 (1998-2000) Морфология надмолекулярных структур и молекулярная подвижность в гетерогенных полимерах (исполнитель),
РФФИ 01-05-65251 (2001-2003) Всмновые процессы и турбулентность в термосфере (исполнитель),
РФФИ 03-07-90288 (2003-2005) Геофизическая информационная система Казанского университета (исполнитель),
РФФИ 03-05-96187 (2003-2005) Исследование термодинамического состояния нижней, средней и верхней атмосферы Земли на основе мониторинга фундаментальных параметров нейтральной и заряженной компонент (исполнитель),
3 Результаты диссертационной работы использовались при выполнении хоздоговорных
работ «Тренд» (заказчик НИИДАР г Москва, 1986-1989г г), «Тренд-90» (заказчик
НИИДАР г Москва, 1990 г), «Морек» (заказчик НИИДАР г Москва 1990 г), «Недра-
ПО» (заказчик КНИРТИ г Казань, 1995-1998гг), «Недра-АП» (заказчик КНИРТИ г
Казань, 1995-1998 г г), «Релакс» (заказчик КХТИ, г Казань 1999-2001 г г)
Аппаратные разработки и программные пакеты были использованы при изготовлении
многофазного расходомера «Недра-40» ОАО «Радиоприбор» г Казань Система
проходит сертификацию и опытную эксплуатацию
4 Результаты использованы в учебном процессе Казанского университета при
составлении программ курсов «Автоматизация научных исследований», «Аппаратное
обеспечение эксперимента», «Микропроцессоры в радиофизике», лабораторный
практикум «Распространение радиоволн»
Структура и объем диссертации.
Интерференционные методы исследования ионосферы
Важное место среди радиофизических методов KB - зондирования ионосферы занимают высокочувствительные когерентные (фазовые и интерференционные) методы, используемые для исследования тонких физических эффектов в ионосфере [6]. Интерференционные методы, как правило, основываются на узкополосных сигналах, которые могут быть описаны в виде: Где A(t) - амплитуда, p(t) - фаза, со0 - несущая частота. Сигналу 1.2 можно сопоставить 2 квадратурные компоненты, получить которые можно различными способами цифровой и аналоговой обработки сигналов [30, 31]. Для однолучевого сигнала можно ввести понятие комплексной амплитуды: Амплитуда и фаза в этом случае выражаются следующим образом В большинстве случаев, при исследовании ионосферных сигналов, приходится иметь дело с многолучевым распространением, что подтверждается многочисленными проведенными экспериментальными исследованиями и расчетами параметров распространения радиоволн KB -диапазона через ионосферу [32, 33, 34]. Исследование характеристик многомодового распространения, сложной картины интерферирующих сигналов позволяет изучать динамические процессы в ионосфере. Комплексную амплитуду отраженного от ионосферы многомодового радиосигнала, принятого в определенной точке земной поверхности с координатами х=у=0 в момент времени t, можно представить в виде дискретного набора мод as _ амплитуда; Ps фазовый путь сигнала в среде с частотной дисперсией; к=2тс/Х; р0 - начальная фаза; X - длина волны.
При рассмотрении пространственных свойств R в приближении близко разнесенного приема (dx, dy 1км по оценкам [35]), фазовый фронт s-компоненты можно считать плоским, а коэффициент rs не зависящим от х и у, а отличия сигнала в точках приема вызваны лишь фазовым запаздыванием радиоволны, зависящим от координат антенн [36]. 0-угол места, а-азимут угла прихода. Если рассмотреть изменения величины А в зависимости от приращения частоты df/f«l [37], то при малых значениях df 100 кГц, вдали от критической частоты коэффициенты поглощения и отражения слабо зависят от f и можно показать, что: где с - скорость света, а Р групповой путь в среде с дисперсией, связанный с фазовым путем соотношением 1.9 [38, 39]. Введем переменную є=(х, у, z, t) [6] и волновые числа k=(kx, kykf), где kf= 2тіР /с. В этом случае комплексная амплитуда записывается как: В условиях близкоразнесенного приема (dx, dy«lKM, df 100 КГц, dt 100 с.) при наличии доплеровского сдвига Os комплексная амплитуда может быть записана в форме [6]: В монографии [37] предложен вариант описания ионосферного сигнала с помощью модулирующих функций среды распространения - ионосферы (МФ), характеризующих её влияние на сигнал. Интерференционная модель преобразования радиосигнала в ионосфере, представлена на рис. 1.1, Модель, в первом приближении, сводится к расщеплению сигнала на подсигналы, каждый из которых подвергается в процессе распространения своему ослаблению, доплеровскому смещению, угловой модуляции и групповому запаздыванию. Выражение для квадратурных компонент радиосигнала и квадрата амплитуды: Функции {AqiS k; Aqs Q} предложено называть [6] разностными модулирующими функциями (РМФ) ионосферы.
Таким образом, отклик ионосферы на монохроматический узкополосный сигнал можно представить в виде четырехмерной комплексной функции A(e,t), т. е, комплексная частотная характеристика среды (КЧХ) распространения К(є,т)= А(єД), а амплитудно - частотная характеристика K(,t)=A(s,t)[, а эти характеристики в первом приближении определяются через МФ среды распространения [6]. Измерения МФ позволяют проводить исследования различных процессов в ионосферной плазме и проектировать высокоэффективные системы KB - связи [40, 41, 42]. Для проведения измерений МФ среды распространения необходим частотно - пространственно - разнесенный прием (ЧПРП) [6, 43]. В зависимости от применяемой структуры измерительного радиотракта можно проводить исследования как всех МФ, так и только части из них.
Доплеровские измерения. Метод регистрации одной из модулирующих функций среды распространения - доплеровского смещения частоты, довольно эффективно используется при изучении динамических процессов в ионосфере. Основными достоинствами метода является его высокая чувствительность, сравнительная простота реализации измерительного оборудования [6, 44, 45, 46]. Метод позволяет изучать широкий класс быстропротекающих изменений в слоях D, Е и F ионосферы. При помощи этого метода получены интересные данные о воздействии на ионосферу солнечных вспышек, геомагнитных возмущений, была проведена оценка стационарности ионосферного сигнала и др. [ 47, 48, 49, 50, 51]. Применявшийся ранее вариант метода с использованием приземной волны, сейчас уступил место методу, основанному на сравнении принятого сигнала с частотой высокостабильного опорного источника [52, 53]). Используя различные модельные аппроксимации ионосферы, можно выразить dQ(t) как функцию производных по времени от параметров выбранной модели и затем решить обратную задачу нахождения скоростей изменения этих параметров по зависимости dQ(t). В [54] приводится пример для параболического слоя
Программное обеспечение доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр»
Разработанное программное обеспечение комплекса позволяет проводить выбор режимов работы и организовывать измерения как в ручном, так и автоматическом режимах. Для решения одной из главных задач, каковой является требование по обеспечению возможности проведения долговременных измерений без вмешательства оператора, была разработана методика проведения измерений по разработанным сценариям. Сценарием является текстовый файл описания последовательности действий, времени начала и длительности их исполнения. После прочтения информации из файла управляющая программа помещает исполняемые задачи в очередь и запускает их в соответствии с показаниями системного таймера и временем начала исполнения (рис. 2.12). Такой подход позволил организовать эффективный мониторинг текущих ионосферных параметров [90, 91]. Измеренные временные ряды данных и параметры первичной обработки сигнала записываются в файл для дальнейшего анализа. Кроме того, в электронный журнал эксперимента записываются условия измерений и режимы работы комплекса. Журнал эксперимента организован с помощью базы данных, что дает удобные возможности для его просмотра и выбора необходимой информации по запросу. Для обработки экспериментальных данных используются методы цифровой спектральной обработки. В библиотеке программных модулей, реализованы различные методы обработки. Модули библиотеки могут использоваться как в программах обработки данных, так и совместно с управляющей программой. В этом случае во время эксперимента можно анализировать спектр принимаемого сигнала.
Получаемые экспериментальные данные используются для определения углов прихода радиолуча, доплеровских сдвигов частот и спектральной плотности мощности сигнала. Измерение углов прихода позволяет выделять отдельные моды радиосигнала и на основании этого анализировать условия среды распространения. Основное влияние на качество конечных результатов оказывают следующие подпрограммы. Автоподстройка усиления. Перед проведением рабочего цикла измерений проводится предварительный сеанс или несколько сеансов автоматического подбора коэффициента усиления приемного тракта. Для подстройки усиления используется оригинальный алгоритм, использующий принцип поразрядного уравновешивания (деление пополам). В качестве оптимального выбирается наименьший коэффициент усиления из измеренных во время анализа для исключения возможности превышения динамического диапазона АЦП в процессе измерения. Выравнивание усиления каналов. В промежутках между циклами измерений проводятся циклы выравнивания усиления приемных трактов с подключением в систему калибровочного генератора и циклы калибровки межканальных сдвигов фаз, учитываемые при дальнейшей обработке в системе определения углов прихода. Поскольку аналоговые тракты формирования комплексного сигнала подвержены параметрическим изменениям, связанным с изменением температуры окружающей среды, старением элементов и др. необходимо устранить ошибки вносимые неидентичностью квадратурных каналов. Неидентичность учитывается и устраняется программным способом на основе описанного далее алгоритма. В матрице Т заложена информация о коэффициентах усиления квадратурных каналов и об отличии разности фаз между ними от 90; ух, уу - постоянные смещения каналов.
Подав с калибровочного генератора высокостабильный сигнал и проведя цикл измерения получаем переопределенную систему линейных уравнений для определения 6 неизвестных калибровочных коэффициентов - компонент матрицы Т и вектора у, каковую можно разрешить методом наименьших квадратов. Для калибровки используются реализации от 512 до 1024 точек, для однозначного определения 6 коэффициентов минимально необходимы 3 точки. Поэтому можно одновременно и контролировать стабильность параметров приемного тракта. Калибровки фаз делаются до и после серии измерений, после чего калибровочные коэффициенты интерполируются на нужное время (матрица Т интерполируется с учетом разности фаз). При интервале 10 минут между калибровками фазы обеспечивается устранение регулярных ошибок в определении разностей фаз с точностью не хуже 10" радиан или 0.05. Первичная обработка данных. При проведении первичной обработки в первую очередь производится определение соотношения отраженной и
Применение спектрометров высокого разрешения
Для проведения спектрометрических измерений, как правило, используется имеющийся в наличии приборный парк с возможной модернизацией устаревших с точки зрения современных компьютерных технологий узлов. В качестве примера эффективности подобного подхода можно привести работы, проведенные при участии автора в КИББ КНЦ РАН с установкой TESLA BS - 587А и описанные в работе [100]. До настоящего времени сохранилось довольно большое количество я. м. р. спектрометров высокого разрешения фирмы TESLA. Только в 1988-1989 г. г. в СССР было поставлено более 30 спектрометров BS-587A. Приемопередающий тракт и магнитная система этого спектрометра удовлетворяет требованиям современного эксперимента. Установка режимов работы, программирование импульсных последовательностей и режимов измерения управляется специализированным компьютером ADT-4700 [98, 99]. Для расширения спектра возможностей применения данного прибора, проведения тестирования и применения современных методов обработки сигналов были проведены работы по замене компьютера ADT-4700 на PC совместимый персональный компьютер. Модернизация спектрометра при замене управляющего компьютера сводилась к изготовлению и установке двух дополнительных интерфейсных модулей. Функциональное разделение управления по двум различным каналам позволило обойтись без изменения в базовых блоках спектрометра и использовать существующие кабельные соединения [100, 101].
На рис. 2.7. представлена основная блок - схема проведенных изменений. Передача управляющих команд и перезапись внутренней памяти спектрометра производится через последовательный порт IBM PC [102] и дополнительный модуль последовательного интерфейса, установленный в основном блоке управления спектрометром. Управление блоками внутри спектрометра осуществляется по 16 - разрядным шинам адресов (ША) и данных (ШД) через плату 1AF02730 блока 11 [98]. Поэтому функцией дополнительно введенного модуля является перевод последовательного кода с выхода PC в два 16-битных параллельных слова с организацией синхроимпульса записи. Рис. 3.7 Блок - схема подключения спектрометра TESLA BS587A к ПЭВМ. Для приема последовательного кода (TXD) используется стандартная плата компьютера ADT - 4700 (45 00-V193 0-7202), обеспечивающая скорость приема/передачи информации 9600 бод в стандарте RS232. На выходе платы формируется 8-битный параллельный код, и по сигналам готовности младшие и старшие байты адресов и данных поочередно записываются в регистры/защелки. Сформированная таким образом информация об адресе и данных, программирующих спектрометр, поступает в модуль 1AF02730. Синхронизация записи осуществляется элементами блока синхронизации по сигналам RS232 DTR и RTS, вырабатываемые программно управляющим компьютером [102]. Для обмена данными 12-разрядного двухканального АЦП и одноканального ЦАП. в управляющий компьютер устанавливается модуль параллельного интерфейса, работающий в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). Этот модуль устанавливается в разъем системной шины ISA. Для обеспечения работы режима ПДП используется сигнал «Конец преобразования» подключенный к сигналу DRQ5 (пятый канал ПДП). Переключение каналов АЦП происходит по сигналу ПК. Кроме того предусмотрена дешифрация четырех адресов и формирования сигналов управления термоблоком и для резервирования в системе дальнейшей автоматизации спектрометра. Модернизация спектрометра позволила передавать и накапливать данные на современных носителях информации и использовать их для тестирования разрабатываемых алгоритмов. Прибор используется в Казанском институте биохимии и биофизики КНЦРАН.
Появление импульсных методик в ЯМР системах расширило круг применимости метода в различного рода исследованиях и позволило создавать сравнительно дешевые низкополевые релаксометры -дифузометры, используя магниты с невысокой однородностью поля [ 96, 97, 103]. Развитие систем цифровой микроэлектроники и микропроцессорной техники сделало также возможным и экономически эффективным интеллектуализацию многих устройств управления экспериментом, позволяя заменить устройства, функционирующие по жестко заданному алгоритму на небольшие устройства действующие по гибкому алгоритму. Требования, предъявляемые к универсальным вычислительным системам (максимальное быстродействие и наличие больших объемов памяти программ и данных) существенно отличаются от требований, предъявляемых к средствам автоматизации. В управляющих и измерительных системах, как правило, нет необходимости сохранения большого количества данных, но необходима возможность работы с большим количеством внешних устройств, организация работы в реальном времени, организовывать обмен данными с использованием стандартных каналов обмена. Для решения подобных задач используются микроконтроллеры. Однокристальные микроконтроллеры - основа массовых встроенных управляющих устройств нижнего уровня гибких в автоматизированных производствах и управления различным оборудованием. Одним из основных направлений развития микроконтроллеров является семейство контроллеров MCS-51, применение которых поддерживается большим количеством отечественных (серия 1816) и зарубежных (Intel, Temic, Atmel, ADI, Philips, Texas Instruments и т. д.) производителей радиоэлектронных элементов, ориентированных как на универсальные, так и специализированные области использования. Базовая модель семейства MCS-51 имеет в своем составе: 8-разрядный центральный процессорный элемент, логический процессор с побитной и побайтной обработкой данных, 2-3 встроенных 16-разрядных таймера - счетчика; двусторонний порт последовательного ввода-вывода; систему прерываний с двумя уровнями приоритета от внутренних и внешних источников; адресное пространство для внешней памяти данных (64К); адресное пространство для внешней памяти программ (64К); встроенное ОЗУ (до 256 байт); 20 регистров специального назначения [104]. Удобная система команд и наличие битового процессора, разветвленная система адресации позволяют создавать эффективные программы на основе команд выполняющихся, в основном, за 0.5-1 мкс при тактовой частоте 24МГц. Одной из главных задач при проведении экспериментов ядерного магнитного резонанса является формирование импульсных последовательностей. В этой ситуации устройство, именуемое генератор импульсных последовательностей (ГИП), выступает в роли многовыходного генератора временных последовательностей импульсов с основной задачей
Процессор цифровой обработки сигналов в системе управления и цифрового приема
Одним из перспективных направлений развития систем управления радиофизическим экспериментом можно считать использование возможностей современных цифровых сигнальных процессоров (ГЩОС -DSP). Эволюция развития этих устройств на современном этапе развития позволяет говорить о возможности перехода от аналоговой обработки данных к цифровой в реальном времени и о замещении сигнальными процессорами микроконтроллеров в системах управления. Традиционно являясь более высокопроизводительными системами, они позволяют совмещать в одном устройстве, как систему управления, так и систему ЦОС [111]. Наличие серийно изготавливаемых плат аналогового и цифрового ввода/вывода с установленным сигнальным процессором позволяет относительно дешево и быстро решить задачи создания систем управления радиофизическим экспериментом, используя их как для реализации управляющих функций, так и для организации аналого - цифровой обработки сигналов с применением в режиме реального времени цифровых алгоритмов, разгружая от этих процессов персональный компьютер. Как уже упоминалось, большинство систем, применяемых в исследованиях ионосферы и ядерного магнитного резонанса, работают в диапазоне частот 5-50 МГц. Внедрение аппаратно-программных алгоритмов из области цифровой обработки сигналов в тракт приема в этом случае вполне реально и позволяет качественно повысить характеристики измерительных систем.
Система управления — цифровой приемник. В работе [112] описывается система управления ЯМР - экспериментом и сбора данных с испорльзованием ПЦОС, но возможности, предоставляемые таким решением реализованы не полностью. В предлагаемом варианте система управления на основе цифрового сигнального процессора является развитием ранее описанного микроконтроллерного ГИП, но с дополнительной реализовывать и функции цифрового приема сигналов [115]. ее кодирование в виде таблицы действий и временных интервалов, как и в системе описанной выше производится управляющей программой верхнего уровня и передается для исполнения в ОЗУ сигнального процессора платы ввода/вывода. Программирование последовательности также заключается в разбиении ее на некоторое количество элементарных шагов, каждый из которых имеет определенную, задаваемую оператором длительность и определенное действие. Формат шага следущий:1 слово - образ цифровых выводов; 2, 3, 4 слова длительность шага; 5 слово - номер следующего исполняемого шага; 6 слово - количество повторений для организации циклических алгоритмов. Исполнение сигнальным процессором алгоритма эксперимента производится загруженной в него управляющей программой - монитором. Задачами управляющей программы, загружаемой в сигнальный процессор, являются: 1. обработка таблицы шагов, получаемой от ЭВМ верхнего уровня; 2. генерирование импульсов в соответствии с заданной последовательностью; 3, предварительная обработка сигнала (получение квадратурных компонент) и временное хранение их в циклическом буфере внутренней памяти данных; 4. формирование сообщения о заполнении буфера для ПК. Программа управления ГИП. После загрузки управляющей программы во внутреннюю память сигнального процессора с ЭВМ верхнего уровня, происходит выполнение следующих процедур: Init (инициализация платы ввода/вывода). Подпрограмма выполняет загрузку таблицы векторов прерывания, осуществляет передачу параметров через последовательный порт в управляющий микроконтроллер AVR AT90S2323, (микроконтроллер после загрузки необходимых параметров перезапускается, и начинает самостоятельно управлять работой АЦП и коммутатора аналоговых сигналов), настраивает последовательный порт SPORT0, на прием данных с АЦП. Rim (начало работы модуля ГИП). Подпрограмма обеспечивает загрузку в память сигнального процессора с ЭВМ верхнего уровня таблицы шагов и коэффициентов фильтра.
Прерывание IRQ2 сигнального процессора запускает обработчик шагов последовательности и обеспечивает генерирование прерывания в ЭВМ верхнего уровня с сообщением о готовности платы к работе. Work (выполнение алгоритма управления ГИП) Подпрограмма выполняет шаги последовательности, если на шаге требуется получить данные с АЦП, то вызывается процедура DSP, если нет, продолжается выполнение последовательности. DSP (Процедура получения отсчетов с АЦП и выполнение алгоритма квадратурного преобразования). Подпрограмма обрабатывает входной поток данных с АЦП в соответствии с алгоритмом цифровой обработки сигналов, сохраняет квадратурные компоненты во временном кольцевом буфере. При заполнение буфера, выдается сигнал прерывания в ЭВМ верхнего уровня; Обработчик шагов, производит считывание из таблицы, распознавание
