научная статья по теме ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРОВ»

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ

УДК 621.37:520.8:621.383.7

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПУЛЬСАРОВ

© 2015 г. А. П. Лавров***, C. А. Молодяков*

*Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Россия, 195251, С.-Петербург, Политехническая ул., 29 **Институт прикладной астрономии РАН Россия, 197028, С.-Петербург, наб. Кутузова, 10 E-mail: samolodyakov@mail.ru Поступила в редакцию 18.02.2014 г.

Разработан оптоэлектронный процессор (о.э.п.), предназначенный для регистрации радиоизлучения пульсаров с компенсацией их дисперсионных искажений в реальном времени в широкой полосе приема и синхронным с периодом повторения импульсов сложением сигналов. О.э.п. содержит акустооптический анализатор спектра и цифровой сигнальный процессор. Представлены структура, принцип действия и аппаратная реализация пульсарного о.э.п. Приведены результаты экспериментального исследования и применения о.э.п. для наблюдения пульсаров на радиотелескопе. Полоса приема пульсарного о.э.п. составляет 80 МГц.

DOI: 10.7868/S0032816214060081

ВВЕДЕНИЕ

Одно из перспективных направлений при создании современных систем обработки информации связано с использованием когерентных оптических процессоров, обеспечивающих обработку сложных сигналов и изображений в реальном масштабе времени. Оптоэлектронные процессоры (о.э.п.) для спектрального анализа сигналов применяют, например, в радиопеленгации [1], радиоастрономии [2—5] и др. [6]. Основным элементом указанных о.э.п. является акустооптический анализатор спектра (а.о.а.с.), который обеспечивает спектральный анализ радиосигналов в темпе их поступления в широкой полосе частот с большим числом спектральных каналов. Например, в [2] разработан а.о.а.с. с полосой частот до нескольких гигагерц с числом спектральных каналов 1000.

В данной статье описан о.э.п. для регистрации радиоизлучения пульсаров, в котором компенсация дисперсионных искажений осуществляется в реальном времени. Пульсарный о.э.п. состоит из двух основных узлов — это а.о.а.с. и цифровой сигнальный процессор (ц.с.п.), связь между которыми осуществляется с использованием многоэлементного фотоприемника. На рис. 1 представлена схема включения о.э.п. в приемный комплекс радиотелескопа. В а.о.а.с. проводится спектральное преобразование сигнала, а ц.с.п. обеспечивает первичное накопление и обработку данных [7, 8].

Управляющий компьютер выполняет управление с.в.ч.-приемником, загружает программы в ц.с.п., считывает подготовленные данные из

ц.с.п., а также обеспечивает отображение текущей информации. Служба времени радиотелескопа поддерживает работу системы в реальном времени.

Отличительной особенностью разработанного о.э.п., например от [3], является применение многоэлементного п.з.с.-фотоприемника, который работает в режиме временной задержки и накопления (в.з.н., Time Delay and Integration — TDI) [9]. Такое использование фотоприемника существенно (на несколько порядков) снижает требования к быстродействию цифровой части о.э.п. Применение в.з.н.-режима работы фотоприемника потребовало решение комплекса вопросов: создания специальных контроллеров управления, разработки новой методики наблю-

Антенна

Пульсарный о.э.п.

С.в.ч.- 1 1 А.о.а.с. Ц.с.п.

т" —»

приемник 1 1

Рис. 1. Пульсарный о.э.п. в приемном комплексе радиотелескопа.

Управляющий компьютер

1 L 1 j

Служба времени

П.з.с.-фотоприемник

Лазерное |_1 излучение

Фурье-линза Рис. 2. Функциональная схема а.о.а.с.

дения, разработки алгоритмов и программ обработки данных как в ц.с.п., так и в управляющем компьютере.

В данной статье представлены описание основных узлов и алгоритмов работы о.э.п., а также результаты его лабораторных исследований и применения для наблюдений пульсаров на крупнейшем отечественном радиотелескопе РТ-64 (г. Калязин).

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПУЛЬСАРНОГО О.Э.П.

Радиоизлучение пульсаров имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке о.э.п. [10]. Межзвездная среда представляет собой высокоразреженную плазму, характеризующуюся дисперсией радиоизлучения. В результате дисперсии импульс радиоизлучения пульсара появляется сначала на более высокой частоте приема, а затем на более низкой частоте (дисперсионное запаздывание импульса). В случае приема сигнала на разных частотах /1 и /2 дисперсионная задержка по времени А^м определяется следующим выражением:

г

^ВМ —

2 птес

\

1___1_

V / 2 А У

вм,

(1)

Ум МГц/с =

А3

Видно, что скорость ¥БМ перемещения зависит от параметра пульсара (меры дисперсии БМ) и от частоты приема / Дисперсия приводит к разрушению тонкой временной структуры импульса при регистрации радиоизлучения в широкой полосе частот. Пульсарные процессоры при работе в широкой полосе частот должны компенсировать дисперсионные задержки [8, 10]. В большинстве случаев малые плотности потоков Р радиоизлучения от пульсара дают на входе приемника отношение сигнал/шум (с./ш.) << 1. Задача пуль-сарного процессора заключается в обработке принимаемого радиоизлучения, т.е. в выделении радиоизлучения пульсара из-под шума для построения огибающей — "профиля" импульсов радиоизлучения. Для этого в пульсарных процессорах после компенсации дисперсии выполняется длительное синхронное с периодом повторения импульсов радиоизлучения Тр накопление сигналов. Период повторения импульсов у пульсаров чрезвычайно стабилен (период вращения массивных нейтронных звезд).

Функциональная схема а.о.а.с. приведена на рис. 2 [11]. Подлежащий обработке радиосигнал после усиления подается на промежуточной частоте /са на акустооптический модулятор (а.о.м.). А.о.м. и фурье-линза выполняют преобразование Фурье пространственной копии входного сигнала, формируя в выходной плоскости оптическое распределение с интенсивностью 1(х, пространственная координата х которого линейно связана с частотой / анализируемых радиосигналов. Выполняется параллельный спектральный анализ скользящей выборки радиосигнала длительностью Та.о.м.:

I (х, ^ = I (/, ^ =

| зЦ - т) ехр(/ 2п/т)йт

(3)

V А2 А

где е — заряд электрона; те — масса электрона; с — скорость света; БМ, парсек/см3 = — мера

дисперсии, определяемая числом свободных электронов по лучу зрения; пе — концентрация электронов в плазме; I — расстояние до пульсара.

Короткий импульс радиоизлучения пульсара из-за дисперсии перемещается по частоте в полосе приема А/=/2 — /1 с центральной частотой/с от высоких частот / к низким /1 со скоростью [10]

8.29876 • 103БМ

(2)

Распределение 1(х, 0 отражает спектр мощности ^2(/, 0 скользящей выборки анализируемого сигнала Длительность выборки Та.о.м. — это параметр а.о.м. (определяется размером его апертуры Ь и скоростью распространения акустической волны Уа: Та.о.м. = Ь/Уа), определяющий частотное разрешение а.о.а.с. ^-элементный линейный п.з.с.-фотоприемник в стандартном режиме его применения как датчика оптического распределения дискретизирует по пространству, детектирует и интегрирует во времени распределение 1(х, 0: 1(п, 0 ~ 11(хп, РрИ. Время интегрирования определяет временное разрешение а.о.а.с.

В представленном пульсарном о.э.п. [7, 8] п.з.с.-фотоприемник работает в в.з.н.-режиме [9]. В этом режиме п.з.с.-фотоприемник выполняет дополнительную функцию аналоговой многоотводной суммирующей линии задержки, суммируя

2

0

2

Параметры пульсаров и пульсарного о.э.п.

Параметры PSR 1937+21 PSR 0329+54

Период повторения импульсов Тр, мс 1.5578065 714.518664

Мера дисперсии БМ, парсек/см3 71.022 26.776

Центральная частота приема/с, ГГц 1.4 2.2 1.4 2.2

Скорость перемещения УБМ, кГц/мкс 4.907 18.059 13.01 47.87

Частота управления импульсов п.з.с.-фотоприемника Fп.з.с, кГц 60.082 219.54 159.41 583.57

Количество отсчетов на периоде N 92 340 113902 416976

Временное разрешение о.э.п. А = 1^пзс, мкс 16.644 4.554 6.273 1.714

сигналы 1(п, ?). Время задержки А сигналов между отводами (соседними элементами п.з.с.-фото-приемника) определяется периодом (частотой ^п.з.с.) управляющих импульсов п.з.с.-фотоприем-ника — так называемых фазных напряжений: А = = 1/^п.з.с., и поэтому оно изменяется простым способом в широких пределах от единиц до десятков микросекунд.

В в.з.н.-режиме зарядовые пакеты п.з.с.-фото-приемника под действием управляющих сигналов перемещаются вдоль его апертуры от одного края к другому подобно непрерывной цепочке (конвейеру). При таком конвейерном режиме работы п.з.с.-фотоприемника на выходе формируются отсчеты, следующие с интервалом А:

N

Uo„t(0 = X1 (t - nb n),

n = 1 N

Uout(k) = XI(b(k - n); n),

(4)

n =1

где п — номер п.з.с.-элемента, к — номер отсчета во времени. Скорость движения Кпз.с зарядовых пакетов п.з.с.-фотоприемника определяется внешним управлением (частотой ^п.з.с ): Уп,3,с, = = dFп.з.C. (^ — шаг расположения элементов), и она должна быть согласована со скоростью изменения частоты УБМ (2) в принимаемом радиоизлучении. Каждому пульсару соответствует своя мера дисперсии БМ, а значит и своя скорость изменения частоты УБМ, и, следовательно, своя частота Fп.з.с.. Для типичных значений величин БМ и/частота Fп.з.с. изменяется в пределах от десятков до сотен килогерц.

При поступлении в о.э.п. широкополосного радиоизлучения пульсара выходной сигнал иои1(к) содержит составляющую, соответствующую огибающей импульса радиоизлучения пульсара — одиночный профиль сигнала, который соответствует прохождению оптического отклика радиоизлучения пульсара по фотоприемнику. Для всех

пульсаров в выходном сигнале (в одиночном профиле) отношение с./ш. остается меньше 1. Дальнейшее повышение отношения с./ш. достигается за счет синхронного суммирования одиночных профилей в ц.с.п., а затем в компьютере, таким образом формируется интегральный профиль — результат наблюдения.

Каждый пульсар имеет свои не только меру дисперсии DM и плотность потока радиоизлучения P, но и период следования Tp и длительность импульсов [10]. Период следования импульсов составляет от миллисекунд до секунд, а длительность обычно составляет десятую часть от периода. Необходимо отметить, что период следования для данного пульсара меняет

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»