Система анализа спектров радиоастрономических сигналов

Основным элементом системы является двухканальный спектрометр Р3902, который предназначен для исследования слабых радиосигналов космического происхождения, в первую очередь, излучений и поглощений в спектральных линиях, но может использоваться и для других целей, например, для анализа радиопомех.

Радиоастрономическая система со специализированным спектрометром Р3902 (рис.1) обеспечивает одновременную регистрацию спектров сигналов, принимаемых в двух поляризациях (противоположных круговых или ортогональных линейных) или только в одной поляризации. Спектр вычисляется методом быстрого преобразования Фурье в заданной полосе анализа (B_ан≤32 МГц) с разрешающей способностью Δf=B_ан/N, где N = 1024 при двухканальном режиме работы и N = 2048 – при одноканальном режиме.

Система способна регистрировать весьма слабые космические сигналы, шумовые температуры Ts которых в сотни и тысячи раз меньше температуры Т_с собственных шумов радиотелескопа, что требует накопления сигнала при наблюдении источника излучения. Применение спектрометра Р3902, отличающегося предельно высоким быстродействием, минимизирует время t_н наблюдения источника, необходимое для его регистрации с требуемым качеством. Кроме того, использование оригинального способа амплитудной калибровки спектра позволяет исключить дополнительный канал с квадратичным амплитудным детектором для измерения мощности собственных шумов радиотелескопа, который применяют в других системах.

Спектрометр Р3902 подключается к выходам промежуточных частот двухканального радиоастрономического приемного устройства, например, используемого на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО», а через интерфейс RS232/RS485 соединен с центральным компьютером управления радиотелескопом, который управляет системой и регистрирует информацию о принимаемых сигналах.

Спектрометр Р3902 собран в типовом блоке габаритами 44,5x36,5x30 см, в котором установлены съемные кассеты функциональных модулей – двух видеоконверторов Р1207, вычислительного модуля Р3200 и узла электропитания Р6202.

Видеоконвертор Р1207, перестраиваемый по частоте в диапазоне 100-1000 МГц, преобразует сигнал в выбранном участке полосы промежуточных частот к видеочастотам (до 16 МГц). Вычислительный модуль Р3200 содержит двухканальный аналого-цифровой преобразователь LTC2288, высокоскоростное вычислительное устройство, выполненное на программируемой логической интегральной схеме XC4VLX25, генератор тактовой частоты 64 МГц, синхронизированный опорной частотой 5 МГц, получаемой от системы частотно-временной синхронизации радиотелескопа, и микроконтроллер ATmega128L для связи с компьютером.

Модуль Р3200 преобразует аналоговые сигналы в последовательности цифровых 10-разрядных выборок, по которым методом быстрого преобразования Фурье вычисляет реализации спектров и накапливает их на заданном интервале времени t_н. Пакет из 2N выборок сигнала, необходимый для вычисления реализации спектра, считывается за время t_сч=1/Δf. За это время программируемая логическая интегральная схема XC4VLX25 успевает вычислить реализацию спектра по предыдущему пакету выборок. Поэтому аналоговый сигнал считывается непрерывно, без потерь времени на вычисление, и число усредняемых выборок m = t_н/t_сч достигает теоретического максимума. Пропорционально увеличивается чувствительность спектрометра (при определенном t_н) или пропорционально m² уменьшается время наблюдения t_н, необходимое для получения заданной чувствительности и точности.

Модуль Р3200 синхронизирует циклы вычисления реализаций спектра с моментами включения/выключения высокостабильных генераторов шума с небольшой (~1 К) шумовой температурой, которые подключены ко входам приемников для амплитудной калибровки. Микросхема XC4VLX25 вычисляет и накапливает реализации спектров в каждом канале приема раздельно для полупериодов включения и выключения генераторов шума. Накопленные спектры передаются в компьютер, который вычисляет и регистрирует частотные спектры шумовых температур T_s(f) или мощностей P_s(f) наведенных в антенне сигналов, спектры потоков электромагнитной энергии, выраженной в янских, а также значения шумовой температуры Тс и коэффициентов усиления приемных каналов. Регистрируются также спектры в шкале лучевых скоростей относительно местного стандарта покоя, для чего используется специальная программа DOP.

Основные технические характеристики системы регистрации спектров: число каналов 1 или 2. Диапазон частот сигналов на входе спектрометра – 100-1000 МГц. Полоса анализа Bан=0,125 – 32 МГц. Интервал частотного разрешения Δf = B_ан/1024 – в двухканальном режиме и Δf = Bан/2048 – в одноканальном режиме. Время получения одной реализации спектра t_o=t_сч=1/Δf. Динамический диапазон спектральных компонентов – 60 дБ.

Основные технические характеристики системы регистрации с БПФ-спектрометром Р3202