Введение к работе
Актуальность работы. Во многих областях науки и техники современные исследования связаны с большим объемом экспериментальных данных, поступающих в устройства обработки. Высокие требования к точности и достоверности получаемой информации в этих исследованиях сочетаются с необходимостью обеспечить оперативную обработку данных в реальном масштабе времени. Большие массивы информации и реальный масштаб времени приводят в этих системах к необходимости обеспечить высокие скорости обработки и большие объемы памяти. Решению этих задач во многом способствует создание гибридных оптико-цифровых (ОЦ) процессоров, состоящих из цифровых и оптических устройств, объединенных для решения одной задачи.
Разработка ОЦ процессоров является одним из направлений использования оптических методов обработки информации в вычислительной технике, так называемой вычислительной оптоэлектронйке. За счет распределения фуівсций обработки между оптической и цифровой частями ОЦ процессор позволяет существенно увеличить быстродействие процесса обработки и улучшить параметры системы. В ОЦ процессорах оптические устройства обеспечивают высокое быстродействие интегральных преобразований над множеством данных, а цифровые - надежную и долговременную память, необходимую точность и гибкость алгоритмов последующей обработки данных. Существенным достоинством ОЦ процессоров является возможность создания на их основе автоматизированных систем, обеспечивающих обработку информации в реальном масштабе времени, что отражает одну из основных тенденций в современном приборостроении.
Оптическая часть ОЦ процессора определяет его специализацию на выполнение определенного набора операций, хотя ряд алгоритмов работы и аппаратно-программная поддержка во многом универсальны. В качестве оптической части процессора наибольшее распространение получили аку-стооптические устройства, выполняющие спектральный анализ' сигнала -акустооптические анализаторы спектра. Эти устройства непрерывно совершенствуются и в них воплощены последние достижения в области акусто-оптики.
Одним из основных элементом ОЦ процессоров является фотопрнем-ннк, обеспечивающий связь оптической и цифровой частей ОЦ процессора. Фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) позволяют
обеспечить эту связь оптимальным рбразом, в частности, за счет организа
ции управляемой предварительной обработки сигналов на самом кристалле
фотоприемника. Для обеспечения специальных режимов работы ПЗС*
фотоприемников (ФПЗС) в рамках создания рЦ процессоров необходимо
разрабатывать специализированные контроллеру для управления ПЗС-
фоТоприемниками. , ' :' -'" :> '..' '
ОЦ процессоры для спектрального анализа радиосигналов находят- -;
применение во многих областях [1*], в частности они представляют большой
интерес для спектральных исследований в радиоастрономии, ,, '
Несмотря на большие потенциальные возможности ОЦ процессоров для спектрального анализа, они начали использоваться в радиоастрономии сравнительно недавно и для их внедрения в практику радиоастрономических наблюдений необходимо было решить ряд задач, связанных как с созданием таких новых систем обработки, так и с исследованием их возможностей. Поэтому тема диссертации, посвященная разработке и исследованию ОЦ процессоров для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии,
ЯВЛЯетСЯ актуальной. './ * -.".][ /':'/" '.' /.-.' , ' ,-.'"'/ ;''/'''", ' : , ' '.' '
Рассмотренные в диссертации'вопросы создания радиоспектрометров на базе ОЦ процессоров разрабатывались применительно к радиотелескопу ' РАТАН-600. Однако, полученные в диссертации результаты могут исполь-' зоваться и на др>тих радиотелескопах для, спектральных наблюдений, а также при создании систем формирования изображения Солнца в радиогелиографах [2*, 3*], робототехнических и других систем. ;
К началу' Настоящей работы были известны лишь публикации, касаю-
щиесяиспользоваїиія ОЦ радиоспектрометров за рубежом. Однако а этих
публикациях практически отсутствовали сведения о структуре и алгоритме
работы таких спектрометров, не были рассмотрены особенности использо
вания ПЗС-фотопрйсмников в ОЦ спектрометрах и другие важные вопросы,
необходимые для Использования таких спектрометров в радиоастрономии.
Публикации но использованию РЦ спектрометров в отечественной радио
астрономии практически отсутствовали. Тем не менее отечественные радио-* .
астрономы проявляли большой интерес к новым ОЦ спентромсграм, так как
отсутствие таких перспекпшпых спектрометров, существенно ограничивало
наблюдательные возможности отечественной радиоастрономии в области
спектроскопии. Сказанное и определило необходимость постановки на
стоящей роботы. ,
Цель работы состояла в разработке и исследовании ОЦ процессоров с использованием ПЗС - фотоприемников для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии и созданию на их основе нового широкополосного радиоспектрометра для радиотелескопа РАТАН-600.
] \ Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Исследовать особенности структурно-функциональной организации
ОЦ процессора для спектрального анализа радиосигналов, разработать ар-
. хитектуру и алгоритм работы такого процессора в составе цодуляционного радиоспектрометра.
-
На основе анализа требуемого быстродействия разработать и исследовать методы распределенной обработки сигналов и методы сжатия информации в аналоговой и цифровой частях ОЦ процессора с использова-ниемФПЗС.
-
Исследовать базовые алгоритмы и элементы устройств управления ФПЗС, разработать архитектуру ПЗС-контроллера и системы предварительной обработки сигнала, позволяющих реализовать модуляционный режим работы радиоспектрометра.
-
Разработать методику исследования характеристик ОЦ процессора с использованием ФПЗС и необходимый пакет программ.
-
Разработать программно-аппаратные средства оптико-цифрового радиоспектрометра и провести с его помощью наблюдения радиолиний в спектральном комплексе радиотелескопа РАТАН-600 для проверки предложенных алгоритмических, структурных и схемотехнических решений. ,
На защиту выносится.
-
Структура и алгоритмы работы оптико-цифрового процессора для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии, позволяющая реализовать модуляционный режим работы ОЦ радиоспектрометра.
-
Способы обработки сигналов модуляционного радиоспек'грометра с использованием ФПЗС и цифровой системы предварительной обработки сигнала, позволяющие увеличить предельные частоты модуляции.
3. Модель переноса зарядовых пакетов в ФПЗС для сдвигов в ревер-
. сивных направлениях.
4. Методика экспериментального определения параметров модели пе
реноса зарядовых пакетов. , ,
' ' 5 '
-
Архитектура ПЗС-контроллеров и созданные на их основе системы обработки оптических сигналов.
-
Результаты экспериментального исследования макетов ОЦ процессоров для спектрального анализа радиосигналов.
-
Концепция и архитектура автоматизированной системы спектральных наблюдений для радиотелескопа РАТАН-600 с использованием ОЦ процессора и результаты наблюдений, проведенных с помощью этого процессора.
Научная новизна.
1. Предложены структура и атд-оритмы работы оптико-цифрового
процессора для спектрального анализа сигналов в радиоастрономии, по
зволяющие реализовать модуляционный режим работы ОЦ радиоспектро
метра.
-
На основе анализа особенностей структурно-функциональной организации ОЦ процессоров для спектрального анализа радиосигналов и требуемой производительности предложен способ рационального распределения функций и разработаны методы распределенной обработки сигналов в аналоговой и цифровой частях ОЦ процессора.
-
Предложены способы предварительной обработки сигналов, реализованные с помощью ПЗС-фотоприемника, в котором организованы алгоритмы синхронного накопления, позволяющие повысить производительность ОЦ процессора и частоту модуляции ОЦ радиоспектрометра (решение о выдаче патента от 05,06.95 [14]).
-
Предложена модель переноса зарядовых пакетов в ФПЗС для сдвигов в реверсивных направлениях при синхронном накоплении оптических сигналов, которая позволяет оценить искажение сигнала при предварительной обработке иыпульсно-модулированного сигнала, соответствующего модуляционному режиму работы радиоспектрометра, и разработана методика экспериментального определения параметров модели переноса зарядовых пакетов.
-
Разработаны базовые алгоритмы и устройства управления ФПЗС -ПЗС-коіпроллерьі, которые позволяют реализовать предварительную обработку сигнала и модуляционные режимы работы ОЦ процессора.
6. Проведенные разработки и исследования позволили впервые в
практике отечественной радиоастрономии создать оптико-цифровой моду
ляционный радиоспектрометр/который использован в спектральном ком-
плексе радиотелескопа РАТАН-600 для наблюдения линии излучения водяного пара. Разработанный ОЦ радиоспектрометр позволил увеличить полосу анализа спектрального комплекса РАТАН-600, которая ранее составляла единицы МГц, до 50 МГц, if тем самым значительно расширить наблюдательные возможности РАТАН-600 в области радиоспектроскопии.
Практическая ценность работы заключается в расширении наблюдательных возможностей радиотелескопа РАТАН-600 за счет использования нового ОЦ процессора. Такой ОЦ процессор, помимо существенного упрощения спектрального комплекса, позволил значительно расширить полосу анализа тем самым повысить эффективность использования этого уникального радиотелескопа в области радиоспектроскопии.
Разработанные в диссертации ОЦ процессоры, выполненные на основе АО устройств и ПЗС-фотопригмникоз, могут быть использованы не только на РАТАН-600, но и на других радиотелескопах, а также в системах обработки радиосигналов различного назначения.
Разработанные алгоритмы предварительной обработки сигналов на ФПЗС, ПЗС-контроллеры, многоканальные цифровые интеграторы и принципы их создания могут быть использованы также в системах оптической обработки изображений, робототехнике и др.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в течение 1987 - 1996 гг. в рамках НИР, проводимых в Санкт-Петербургском государственном техническом университете в соответствии с Федеральной научно-технической программой "Астрономия", межвузовскими научно-техническими программами "Технические университеты", "Оптические процессоры" и "Научное приборостроение", а также в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР.
Результаты работы использованы в Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН) при создании нового широкополосного ОЦ радиоспектрометра для радиотелескола РАТАН-600, а также в ряде учреждений Академии наук и отраслевых НИИ при разработке оптических систем обработки радиосигналов различного назначения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1-17] и докладывались на I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (гЛенинград, 1988), на XXI Все-
7 союзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура" (г. Ереван, 1989), на IV конференции с международным участием "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе". (г.Геленджик, 1992), на международной конференции по оптической обработке информации (г. С-Петербург, 199*1), на XXV радиоастрономической конференции (г.Пущино, 1993), на XXfyl радиоастрономической конференции (г.С-Петербург, 1995), Всесоюзной ifo-учно-практической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С-Петербург, 1995), а также на научных семинарах СанЙ-Петербургского государственного технического университета и Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных работах, по теме работы получено положительное решение на видачу патента на изобретение.
Структур» и объем работы. Диссертация состоит из введения, roritt глав, заключения и приложения. Основное содержание работы изложено Йа-180 страницах, приложение занимает 4 страницы. В работе имеется 70 рисунков и 10 таблиц. Список литературы составляет 119 наименований.
