ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЯЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01J3/433 G01R23/17 

Изобретение относится к измерению и регистрации сигналов в радиоастрономии, в частности, регистрации спектров вспышечных процессов на Солнце и других космических источниках. Спектрометры должны иметь максимальную частоту получения спектров при минимальном "мертвом времени" (МВ), т.е. времени, в течение которого спектрометр не регистрирует входной сигнал. В настоящее время регистрируются вспышки с временем нарастания 20 мс и длительностью 50 мс (см. A. Lecacheus, C. Rosolen, M. Davis, J. Bookbider, T.S. Bastian and G. A. Dulk. Dynamic spectra of radio sources from 4,5 to 5,0 GHz. // Astron. Astrpphysics. 1993. v. 275, p. 670-678). Предполагается существование более коротких вспышек, для регистрации которых требуются спектрометры с временным разрешением порядка единиц миллисекунд.

Известны модуляционные многоканальные оптоэлектронные спектрометры радиосигналов с синхронным интегрированием отсчетов в цифровой памяти (см. G. Chin, D. Buhl, Acoustooptic spectrometer for radio astronomy // SPIE. v. 23, 1980, p. 30-37).

Недостатком этих устройств является низкая частота модуляции и недостаточное для исследования вспышек временное разрешение.

Известен оптико-электронный модуляционный спектрометр (см. а. с. N 1368798, кл. G 01 R 23/17) с синхронным аналоговым накоплением на матричном ПЗС фотоприемнике (ФПЗС) с кадровой организацией. Это устройство лишено указанных выше недостатков, однако ему присуще наличие МВ. Наличие МВ недопустимо при наблюдении вспышечных процессов, так как заранее не известна длительность вспышки, время прихода, начальная и конечная фаза. При требуемом времени разрешения 1-10 мс МВ в данных спектрометрах составит 0,2-1 мс. Кроме того, МВ уменьшает чувствительность спектрометра в зависимости от соотношения МВ и времени интегрирования до десятков процентов.

Известен оптико-электронный модуляционный спектрометр (см. а. с. N 1629871, кл. G 01 R 23/17), он обеспечивает возможность регистрации спектров практически без МВ, но частота модуляции и соответственно частота получения спектров ограничена временем считывания сигналов из фотоприемника. Среднее время вывода сигнала из ФПЗС составляет 0,5-1 мс, что соответствует частоте модуляции 500-1000 Гц и не удовлетворяет требованиям наблюдения быстропеременных спектров. Существенным недостатком данного спектрометра является то, что требуемый ФПЗС с двумя выходными регистрами и одним общим регистром накопления промышленностью не выпускается, а те ФПЗС, которые можно использовать, вместо одного содержат более 100 регистров накопления, и при выводе зарядов из ФПЗС появляется такое же МВ, что и в выше описанном случае.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности (прототипом) является модуляционный оптико-электронный спектрограф (см. а.с. N 1290194, кл. G 01 R 23/17). Это устройство содержит последовательно соединенные между собой модулятор, первый вход которого является входом устройства, спектральный приемник, акустооптический спектроанализатор, матричный фотоприемник на приборе с зарядовой связью с кадровой организацией, регистрирующее устройство, а также опорный генератор, генератор реверсивных фазных импульсов и счетчик. Выход генератора реверсивных фазных импульсов соединен с электрическим входом ФПЗС, первый вход генератора соединен с выходом счетчика. Опорный генератор соединен по выходу со вторыми входами модулятора, генератора реверсивных фазных импульсов и входом счетчика.

Недостатком данного устройства является наличие МВ, что недопустимо при регистрации вспышек.

Для исключения МВ в оптоэлектронный модуляционный спектрометр, содержащий последовательно соединенные между собой модулятор, первый вход которого является входом устройства, спектральный приемник, акустооптический спектроанализатор, матричный ФПЗС, регистрирующее устройство, а также генератор реверсивных фазных импульсов и счетчик, выход генератора реверсивных фазных импульсов соединен с электрическим входом ФПЗС, первый вход генератора соединен с выходом счетчика, введены опорный генератор высокой частоты, делитель и счетчик пустых строк, причем выход опорного генератора соединен со входами делителя, счетчика пустых строк и со вторым входом генератора реверсивных фазных импульсов, первый выход делителя соединен со вторым входом модулятора, второй выход соединен с входом счетчика и третьим входом генератора реверсивных фазных импульсов, второй вход счетчика пустых строк соединен с выходом счетчика, а выход с четвертым входом генератора реверсивных фазных импульсов.

Использование счетчика пустых строк в оптоэлектронном модуляционном спектрометре позволило реализовать режим синхронного накопления на границе секции накопления (СН) и секции хранения (СХ) ФПЗС и дало возможность практически исключить "мертвое время" при сохранении высокой частоты модуляции.

На фиг. 1 представлена структурная схема оптоэлектронного спектрометра; на фиг. 2 графики, поясняющие временной характер амплитудной модуляции входного сигнала (а) и работу матричного ПЗС фотоприемника (б).

Оптоэлектронный модуляционный спектрометр (фиг. 1) содержит модулятор 1, первый вход которого связан с антенной А и является входом спектрометра, соединенный по выходу со входом спектрального приемника 2, который соединен по выходу с электрическим входом акустооптического спектроанализатора 3, оптический выход которого связан с матричным ФПЗС 4, управляющий вход которого подключен к выходу генератора реверсивных фазных импульсов 5, а выход к регистрирующему устройству 6, первый вход генератора реверсивных фазных импульсов 5 подключен к выходу счетчика 7, второй вход к выходу опорного генератора 8, третий вход подключен к выходу делителя 9, а четвертый вход к выходу счетчика 10. Второй выход делителя соединен со вторым входом модулятора 1, а вход с выходом опорного генератора 8. Первый вход счетчика пустых строк 10 соединен с выходом опорного генератора 8, а второй вход с выходом счетчика 7. Структура спектрального приемника 2 (типа СП-21) описана в работе: Есепкина Н.А. Котов Ю.А. Петрунькин В.Ю. и др. "Акустооптический спектрометр для радиотелескопа РАТАН-600" // Астрофизические исследования (Изв. САС). 1980. Т. 12. с. 88-93. Схема генератора реверсивных фазных импульсов приведена в работе: Афанасьев С.Я. Бородин С.М. Стенин В.Я. "Программируемое устройство управления матричными формирователями видеосигнала на ПЗС" //Автометрия. 1983. N 3. с. 70-74.

Времена накопления сигналов антенны (А) и эквивалента (Э) (фиг.2) равны и соответствуют T₁ и T₂. Период времени интегрирования сигналов равен T_n (T₁ + T₂ х n, где n число циклов синхронного накопления.

Устройство работает следующим образом.

С приемной антенны А на вход спектроанализатора поступает радиосигнал, который по сигналам с делителя 9 модулируется модулятором 1 с периодом Т_м T₁ + T₂ (фиг. 2а). Спектральный приемник осуществляет усиление модулированного радиосигнала в полосе приема и преобразует диапазон частот принимаемого сигнала в диапазон частот акустооптического спектроанализатора 3. В последнем производится преобразование радиосигнала в оптический и пространственное спектральное разложение последнего. Оптические сигналы спектральных компонент провоцируются на зону II (фиг.2б) секции накопления ФПЗС 4. В засвеченных элементах фотоприемника накапливается заряд q, пропорциональный освещенности и времени накопления. Каждому столбцу ФПЗС соответствует свой спектральный отсчет, который формируется лишь в зоне II. Зоны I и III изолированы от счета и служат зонами хранения зарядовой информации. Зона II представляет собой одну или несколько строк ФПЗС. Зоны I и III могут включать до тысячи строк.

В момент t₁ начинается накопление сигнала первого полупериода модуляции в зоне II. С приходом импульса с делителя 9 в момент времени t₂ генератор реверсивных фазных импульсов 5 вырабатывает последовательность импульсов управления, которая перемещает сформированный зарядовый рельеф, отображающий за время T₁ спектр сигнала А, из второй зоны в первую зону. Одновременно во вторую зону переместятся "пустые" зарядовые пакеты из третьей зоны. В течение времени T₂ во второй зоне будет формироваться зарядовый рельеф, отображающий спектр сигнала Э. По следующему импульсу с опорного генератора 9 в момент времени t₃ генератор 5 вырабатывает обратную последовательность импульсов управления ФПЗС синхронно с переключением модулятора 1, при этом в ФПЗС происходит установление исходного положения зарядовых пакетов, что завершает первый цикл синхронного накопления в СН. После заданного числа циклов синхронного накопления n счетчик 7 вырабатывает сигнал, по которому генератор реверсивных фазных импульсов перемещает зарядовые пакеты в СХ вниз в сторону первого выходного регистра, а в СН вверх в сторону второго выходного регистра. Количество строк m, на которые перемещаются заряды в СХ и СН задает счетчик пустых строк 10, причем число сдвигов в СН на два больше чем в СХ и равно m + 2, а каждый сдвиг строк происходит по импульсам опорного генератора 8. Величину m следует выбирать в интервале от 1 до 10, в зависимости от типа и режима работы ФПЗС. В процессе переноса строк в СХ и СН происходит их сдвиг в оба выходных регистра. Вывод зарядовых пакетов из выходных регистров происходит через m + 2 импульсов опорного генератора после прихода импульса со счетчика 7. В процессе непрерывной работы оба поля СН и СХ будут заполнены строками зарядовых пакетов соответствующих сигналам эквивалента Э и антенны А. Расстояние между строками в каждом поле будет равно m. При считывании по мере вывода зарядовых пакетов возможно получение полезного разностного сигнала, например, как было предложено в а.с. N 1629871.

Использование счетчика пустых строк выгодно отличает предлагаемый спектрометр от известных аналогов, так как за счет предлагаемого синхронного накопления на границе СН и СХ и использования секций в качестве аналогового буфера после детектирования сигналов, не только сохраняются преимущества прототипа (высокая частота модуляции), но и практически исключается "мертвое время". Длительность МВ будет соответствовать времени переноса одной строки в ФПЗС и может составлять (0,5^oC х m) мкс, что на два порядка меньше чем у прототипа. Дальнейшее уменьшение интервала МВ нецелесообразно, т.к. указанное выше время уже соизмеримо со временем переключения входного модулятора и временем ввода сигнала в акустооптический спектроанализатор.

Использование: изобретение относится к измерению и регистрации сигналов в радиоастрономии, в частности, регистрации спектров вспышечных процессов на Солнце и других космических источниках. Сущность изобретения: оптоэлектронный модуляционный спектрометр содержит модулятор, первый вход которого является входом спектрометра, соединенный по выходу со входом спектрального приемника, который соединен по входу с электрическим входом акустооптического спектроанализатора, оптический выход которого связан с матричным фотоприемником на ПЭС с кадровым переносом, управляющий вход которого подключен к выходу генератора реверсивных фазовых импульсов, первый вход которого подключен к выходу счетчика, второй вход - к выходу опорного генератора, третий вход подключен к выходу делителя, а четвертый вход - к выходу счетчика. Второй выход делителя соединен со вторым входом модулятора, а вход - с выходом опорного генератора. Первый вход счетчика пустых строк соединен с выходом опорного генератора, а второй вход с выходом счетчика. Электрический выход матричного ПЭС соединен с регистрирующим устройством. 2 ил.

Оптоэлектронный модуляционный спектрометр, содержащий последовательно соединенные между собой модулятор, первый вход которого является входом устройства, спектральный приемник, акустооптический спектроанализатор, матричный ПЗС фотоприемник с кадровой организацией, регистрирующее устройство, а также генератор реверсивных фазных импульсов и счетчик, выход генератора реверсивных фазных импульсов соединен с электрическим входом матричного ПЗС фотоприемника с кадровой организацией, первый вход генератора соединен с выходом счетчика, отличающийся тем, что в него введены опорный генератор высокой частоты, делитель и счетчик пустых строк, причем выход опорного генератора соединен с входами делителя, счетчика пустых строк и с вторым входом генератора реверсивных фазных импульсов, первый выход делителя соединен с вторым входом модулятора, второй выход соединен с входом счетчика и третьим входом генератора реверсивных фазных импульсов, второй вход счетчика пустых строк соединен с выходом счетчика, а выход с четвертым входом генератора реверсивных фазных импульсов.