СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА УЗКОПОЛОСНОГО КОСМИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01R23/18 

Изобретение относится к радиоастрономии и может быть использовано для измерения энергетических спектров (спектров мощностей, спектров шумовых температур, спектров плотностей потоков энергии) узкополосных сигналов космического происхождения, например радиоизлучений в спектральных линиях, генерируемых облаками газа в межзвездной среде. Такие излучения наблюдаются в диапазоне сверхвысоких частот (выше 1 ГГц). Спектры таких излучений занимают полосы частот B_S от нескольких десятков килогерц до нескольких мегагерц. Способы их исследования должны обеспечивать измерение энергетических параметров (шумовых температур, мощностей, потоков энергии) с частотным разрешением Δƒ не хуже 0,1÷0,3 кГц для узких спектров (В_S≤1 МГц) и не хуже 1 кГц для относительно широких спектров (B_S>1 МГц).

Проблема анализа энергетических спектров узкополосных радиосигналов космического происхождения осложняется тем, что их уровень крайне мал. Даже при использовании высокочувствительных радиотелескопов с криоэлектронными приемными устройствами в большинстве случаев уровень принимаемого сигнала космического источника в тысячи раз (на 20-40 дБ) ниже уровня собственных шумов радиотелескопа. Обычные для измерительной техники анализаторы спектра не способны измерять параметры космического радиоизлучения, так как принимаемый сигнал всегда закрыт собственными шумами приемной системы. Необходимо применять специальные способы измерения параметров сигнала, основанные на длительном приеме и накоплении, которое позволяет выделить исследуемый сигнал из шума. Время накопления t_нак обычно составляет от десятков минут до нескольких часов. Поскольку исследуется очень слабый сигнал, то даже очень малые изменения коэффициента усиления приемно-усилительного канала, связанные с небольшими изменениями напряжений электропитания, с самопрогревом аппаратуры и с другими техническими факторами, вносят значительные ошибки измерений параметров спектра сигнала. Эти ошибки соизмеримы и часто превышают сами измеряемые параметры. Поэтому необходимы специальные меры для амплитудной калибровки приемно-усилительного канала, которые позволят учесть нестабильность коэффициентов усиления канала. Для этого в радиоастрономии применяют так называемый модуляционный режим приема, при котором приемно-усилительный канал периодически переключают, чтобы усиливать то принятый антенной сигнал, то шум от стабилизированного и термостатированного генератора шума, а затем сравнивают (взаимно вычитают) усиленные сигналы. Тем самым устраняют влияние нестабильностей коэффициента усиления канала и собственного шума приемной системы (см., например, Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. "Радиотелескопы и радиометры". М., Наука, 1973). Вместо шума от отдельного шумового генератора иногда измеряют собственный шум приемной системы радиотелескопа в полосе частот, где отсутствуют какие-либо сигналы. В этом случае переключают частоту гетеродина приемного устройства так, чтобы поочередно настраивать его то на частоту сигнала, то на частоту, свободную от сигналов (см., например, Рыжков Н.Ф. Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды. Астрофизические исследования. Известия специальной астрофизической обсерватории, т.6. Наука, 1974).

Известны различные способы анализа спектров узкополосных радиосигналов космического происхождения (см., например, Смоленцев С.Г., Дравских А.Ф. "Об одном способе спектрального анализа в радиоастрономии". Астрофизические исследования. Известия специальной астрофизической обсерватории, т.3, "Наука", 1971; Рыжков Н.Ф. "Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды". Астрофизические исследования. Известия специальной астрофизической обсерватории, т.6, "Наука", 1974; Госачинский И.В., Желенков С.Р. "Цифровой автокорреляционный анализатор спектра". Препринт №96. САО РАН, СПб, 1993; Абрамян Л.Э., Арзамасова Н.И., Венгер А.П., Госачинский И.В., Грачев В.Г., Есепкина Н.А., Желенков С.Р., Кандалян Р.А., Кочергина И.С., Мартиросян P.M., Михайлов А.В., Прусс-Жуковский С.В., Шишкин А.И. Акустооптический спектрометр для радиотелескопа РАТАН - 600. Астрофизические исследования. Известия САО АН СССР, т.20., Л., Наука. 1985).

В настоящее время для анализа космических радиоизлучений в спектральных линиях применяется автокорреляционный метод, описанный в упомянутых работах Рыжкова Н.Ф. и Госачинского И.В., Желенкова С.Р., так как при других способах практически невозможно получить при анализе спектра требуемую разрешающую способность по частоте. Автокорреляционный способ состоит в том, что аналоговый стохастический сигнал на выходе приемно-усилительного канала радиотелескопа преобразуют в клиппированный сигнал, потом коррелятором вычисляют нормированную автокорреляционную функцию (АКФ), из которой с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) определяют нормированный спектр и умножают его на полную мощность исследуемого сигнала. Для измерения полной мощности сигнала используют отдельный канал с квадратичным детектором, работающий в режиме модуляционного приема. При этом, переключая частоту гетеродина приемно-усилительного канала, поочередно усиливают то принимаемый антенной сигнал в смеси с шумом приемной системы, то только шум системы (без сигнала), а затем по разности полученных мощностей определяют мощность принимаемого сигнала.

Наиболее близким по назначению и технической сущности является способ анализа спектра, описанный в статье Рыжкова Н.Ф. "Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды" (Астрофизические исследования. Известия специальной астрофизической обсерватории, т.6. Наука. 1974). В известном способе приемно-усилительный канал с помощью переключаемого по частоте гетеродина поочередно настраивают то на частоту исследуемого сигнала, то на частоту, свободную от сигналов. Частоту гетеродина переключают управляющим напряжением в форме меандра.

На тех интервалах времени, когда приемно-усилительный канал настроен на частоту сигнала, вычисляют реализации нормированной АКФ смеси относительно слабого исследуемого сигнала и более сильного шума приемной системы, а по реализациям нормированной АКФ с помощью БПФ вычисляют реализации нормированного спектра, затем, накапливая и усредняя их на интервале наблюдения t_набл, получают усредненный нормированный спектр. Одновременно отдельным каналом с квадратичным детектором измеряют на выходе приемно-усилительного канала полную мощность смеси собственного шума радиотелескопа и исследуемого сигнала.

На тех интервалах времени, когда приемное устройство отстроено от частоты сигнала, в канале с квадратичным детектором измеряется мощность собственного шума приемной системы радиотелескопа (собственного шума приемного устройства и шумов антенны).

Разность мощностей, измеренных при настройке на сигнал и при отстройке от него, считают полной мощностью принимаемого сигнала на выходе приемно-усилительного канала. Умножив вычисленный нормированный спектр на полученную полную мощность сигнала, определяют спектр исследуемого сигнала на выходе приемно-усилительного канала.

Чтобы перейти к искомому спектру мощности сигнала в антенне, необходимо с высокой точностью измерить (откалибровать) коэффициент усиления канала. Для этого в приемно-усилительный канал вводят шумовые импульсы калибровки с небольшой стабильной мощностью, величина которой предварительно измерена. Шумовую температуру импульсов калибровки устанавливают достаточно малой (в 100-1000 раз меньше собственного шума приемной системы), чтобы погрешность измерений этой температуры и возможные небольшие ее флюктуации практически не влияли на точность измерений спектров исследуемых сигналов.

Недостатком известного способа являются потери времени приема сигнала из-за переключения приемно-усилительного канала и, соответственно, увеличение в два раза времени наблюдения, необходимого для накопления слабого исследуемого сигнала и выделения его из шума для измерения спектра. Фактически время приема и накопления сигнала оказывается даже меньше половины времени наблюдения, так как некоторое время затрачивается на переключение частот гетеродина. Другим недостатком являются дополнительные потери чувствительности и точности измерений, которые связаны с заменой аналогового сигнала клиппированным сигналом, что ухудшает отношение сигнал/шум в 1,4 раза, а также с дополнительными погрешностями, вносимыми каналом измерения мощностей и неидентичностью характеристик каналов анализа спектра и измерения мощности.

Целью изобретения является уменьшение времени наблюдения сигнала и повышение точности измерений.

Эта цель достигается тем, что в способе, основанном на вычислении реализаций спектра выходного сигнала приемно-усилительного канала радиотелескопа путем быстрого преобразования Фурье, накоплении и усреднении реализации спектра, на сравнении мощности смеси сигнала и собственного шума на выходе канала с мощностью шума в полосе частот, не занятой исследуемым сигналом, и на амплитудной калибровке с помощью шумовых импульсов, периодически вводимых в приемно-усилительный канал, расширяют частотную полосу анализа так, чтобы в ней был участок, не содержащий сигнала, реализации спектра вычисляют и при введении шумовых импульсов калибровки, и в паузах между ними, раздельно усредняют реализации спектра при импульсах калибровки и без них, а по усредненным реализациям спектра вычисляют средние значения мощностей шумов на частотах, свободных от сигнала, при введенных импульсах калибровки и без них, после чего по паре усредненных реализаций спектров сигналов на выходе приемно-усилительного канала и паре полученных средних значений мощностей шумов вычисляют энергетический спектр исследуемого сигнала в антенне радиотелескопа. При этом спектральные компоненты шумовой температуры исследуемого сигнала определяют как произведение половины шумовой температуры импульсов калибровки на отношение разности сумм пары компонентов усредненных спектров и пары средних значений мощностей шумов к разности средних значений мощностей шумов. Для уменьшения погрешностей, вносимых нестабильностью уровня собственного шума приемной системы радиотелескопа, время наблюдения источника излучения разбивают на более короткие интервалы, в каждом интервале вычисляют энергетические спектры исследуемого сигнала, после чего эти спектры усредняют.

Реализовать предлагаемый способ можно, используя любое радиоастрономическое приемное устройство с подключенным к его входу стабильным модулируемым генератором шума небольшой интенсивности (например, широкополосные радиоастрономические приемные устройства радиотелескопов РТФ-32, представленные в журнале "Приборы и техника эксперимента" 2005 г., №4, с.66-75) и цифровой анализатор спектра сигналов на основе БПФ (например, измерительный прибор NI-5620, выпускаемый фирмой National Instruments, США).

Схема устройства, реализующего данный способ, показана на чертеже, где обозначено:

1 - антенна радиотелескопа;

2 - направленный ответвитель;

3 - радиоастрономическое широкополосное приемное устройство;

4 - перестраиваемый преобразователь частоты;

5 - цифровой анализатор спектра на основе БПФ (например, прибор NI-5620);

6 - аналого-цифровой преобразователь напряжений (АЦП),

7 - вычислительное устройство (например, процессор Pentium-4, примененный в приборе NI-5620);

8 - монитор компьютера,

9 - клавиатура компьютерная (или компьютерная мышь);

10 - таймер вычислительного устройства;

11 - генератор модулирующего напряжения (например, генератор меандра);

12 - модулируемый генератор шума;

Антенна 1, направленный ответвитель 2, приемное устройство 3, перестраиваемый преобразователь частоты 4 и АЦП 6 анализатора спектра 5 соединены последовательно. АЦП 6, монитор 8 и клавиатура (или мышь) 9 соединены с вычислительным устройством 7. Таймер 8 вычислительного устройства соединен с генератором модулирующего напряжения 11, который соединен с управляющим (модулирующим) входом генератора шума 12. Выход генератора шума 12 подключен ко второму входу направленного ответвителя 2.

Принимаемые антенной 1 сигналы через направленный ответвитель 2 поступают на вход радиоастрономического приемного устройства 3, переносящего полосу рабочих частот сигналов в область более низких частот, в которой работает перестраиваемый преобразователь частот 4. Преобразователь 4 предварительно настраивают на ту полосу частот, в которой проводится анализ спектра. В течение всего времени наблюдения сигнала частота настройки гетеродина остается неизменной (в отличие от известного способа). Анализатор спектра 5 содержит многоразрядный АЦП 6 и вычислительное устройство 7 на базе процессора Pentium-4, к которому подключают монитор 8 и клавиатуру (или мышь) 9 для ввода исходных данных (заданий) и для отображения результатов измерений. Устройство 7 вычисляет реализации спектров сигналов методом БПФ и усредняет их на интервале накопления, а затем по полученным данным вычисляет энергетический спектр сигнала по приведенным ниже правилам и формулам. Таймер 10 вычислительного устройства 7 управляет работой генератора модулирующего напряжения (например, меандра) 11, которым модулируют (включают и отключают) генератор шума 12 с относительно небольшой и стабильной шумовой температурой, которая предварительно измерена известными способами. Периодическая последовательность шумовых импульсов калибровки, вырабатываемых генератором 12, через направленный ответвитель 2 вводится на вход приемного устройства 3 и добавляется к шумам приемной системы. Работа всех устройств синхронизируется таймером 10 вычислительного устройства 7.

Частотная полоса анализа B_ан делится на два участка: участок шириной B_S, в котором могут быть компоненты спектра исследуемого сигнала, и участок шириной В_n, в котором заведомо нет сигнала. Участок без исследуемого сигнала может быть сплошным (шириной В_n) или состоять из нескольких более узких участков (например, из участков слева и справа от частотной полосы сигнала B_S). При БПФ каждая вычисленная реализация спектра представляется набором компонентов спектра, разнесенных по частоте на величину заданного интервала частотного разрешения Δƒ. Компонент реализации спектра на частоте ƒ_i - это отсчет мощности в элементарной частотной полосе Δƒ около частоты ƒ_i. В каждой реализации спектра методом БПФ определяют М=B_ан/Δƒ отсчетов мощности, из которых М_n=В_n/Δƒ отсчетов относят к частотной полосе, не содержащей исследуемого сигнала, а остальные M_S=M-М_n относят к полосе частот, в которой может присутствовать исследуемый сигнал.

При выключенном генераторе шума 12 в приемно-усилительный канал поступает аддитивная смесь принимаемого антенной узкополосного сигнала и собственных шумов приемной системы с практически не зависящей от частоты (в пределах полосы анализа) шумовой температурой Т_c. Усиленную смесь шумов и исследуемого сигнала АЦП 6 преобразует в последовательности цифровых выборок, по которым методом БПФ вычисляются реализации спектра сигнала.

Каждая реализация спектра, полученная при выключенном генераторе 12 шумовых импульсов калибровки, содержит отсчеты мощностей р′_il, относящиеся к частотам ƒ_j в полосе участка B_S, и отсчеты р′_jl, относящиеся к частотам ƒ_j в полосе В_n, не содержащей исследуемого сигнала. Здесь индекс l означает порядковый номер реализации спектра при отсутствии шумовых импульсов калибровки. При воздействии на вход приемно-усилительного канала шумовых импульсов калибровки (при включенном генераторе шумовых импульсов 12) для частотных полос B_S и B_n получаем отсчеты мощностей р′′_ik и р′′_jk, где k - порядковый номер реализации спектра, полученной в данном режиме работы.

В предлагаемом способе отсчеты мощностей компонентов спектра, полученные при включении шумовых импульсов калибровки и при их отключении, усредняются раздельно. В результате получаются средние значения компонентов спектра шумового сигнала на входе АЦП 6, то есть на выходе приемно-усилительного канала радиотелескопа:

где М′ и М′′ - количества реализаций спектра, полученных на интервале наблюдения при выключенном и при включенном генераторе 12 шумовых импульсов калибровки соответственно. При модуляции генератора 12 меандром М′=М′′.

Для полосы частот В_n, не содержащей исследуемый сигнал, вычисляются средние значения отсчетов мощности раздельно при отсутствии шумовых импульсов калибровки и при воздействии их:

Величины Р′_ср и Р′′_cp представляют собой средние мощности шумов на входе анализатора спектра 5, вычисленные в элементарной частотной полосе Δƒ.

После накопления и усреднения, когда флюктуации отсчетов сглаживаются и точность оценок средних мощностей становится приемлемой, для полосы B_n, где на вход приемного устройства в случае отсутствия шумовых импульсов калибровки поступает только собственный шум приемной системы с температурой T_с, имеем очевидную формулу

где K_T - коэффициент усиления и преобразования всего измерительного комплекса аппаратуры (от выхода антенны 2 до выхода вычислительного устройства 7), имеющий размерность Вт/К. Точные значения T_с и К_T априори не известны.

Для полосы Bs, где могут быть компоненты сигнала, при отсутствии шумовых импульсов калибровки имеет место соотношение

где T_si - шумовая температура исследуемого сигнала (на входе приемного устройства) на частоте ƒ_i.

При введении в усилительный канал шумовых импульсов калибровки для полосы частот без сигнала справедливо соотношение

где T_кал - шумовая температура импульсов калибровки на входе приемно-усилительного канала. Величина Т_кал устанавливается малой по сравнению с шумом системы T_с, измеряется заранее и считается известной. Для полосы частот, содержащей сигнал, в этом случае справедливо соотношение

Вычислительное устройство из (1) и (3) определяет величину коэффициента усиления и преобразования измерительного комплекса

После подстановки значения K_T в (1) определяется величина шумовой температуры приемной системы радиотелескопа

Далее, используя значение T_с из (2), определяют компоненты спектра шумовых температур исследуемого сигнала в антенне

Значения T′_si здесь вычислены по реализациям спектров, полученным в паузах между шумовыми импульсами калибровки.

Аналогично из (4) вычисляют компоненты спектра шумовых температур сигнала на интервалах времени с шумовыми импульсами калибровки:

Усреднение полученных пар значений компонентов спектра дает искомые величины компонентов спектра шумовых температур принимаемого сигнала на выходе антенны радиотелескопа:

T_si=0,5(T′_si+T′′_si)=0,5T_кал{(P′′_i+P′_ср)-(P′′_ср+P′_ср)}/(P′′_ср-P′_ср).

Спектр шумовых температур сигнала легко пересчитывается в спектр мощностей исследуемого сигнала на входе приемного устройства:

P_si=kΔfT_si,

где k - постоянная Больцмана.

Зная эффективную площадь А антенны радиотелескопа, определяют спектральную плотность потока электромагнитной энергии, приходящего от исследуемого космического источника радиоизлучения (в Янских):

S(ƒ_i)=2·10²⁶ P_si/А Δƒ=2·10²⁶ k T_si/A.

В рассматриваемом способе сигнал накапливается в течение всего времени наблюдения, что позволяет в два раза уменьшить время наблюдения по сравнению с известным автокорреляционным способом.

Поскольку аналоговый сигнал преобразуется в цифровые последовательности многоразрядным АЦП (например, 14-разрядным АЦП в спектрометре NI-5620), практически исключается влияние шумов квантования (у известного прототипа эти шумы в 1,4 раза снижали чувствительность и точность измерений спектра). Исключены и дополнительные потери точности, связанные с погрешностями измерения мощностей дополнительным каналом с квадратичным детектором и с неидентичностью основного и дополнительного каналов. Кроме того, упростился приемно-измерительный комплекс аппаратуры, так как отпала необходимость в дополнительном канале измерения мощности и в переключении частот гетеродина. Устранены и дополнительные потери времени на переключение частот гетеродина приемного устройства, которые имели место при известном автокорреляционном способе измерений спектра.

При исследовании слабых космических радиоизлучений приходится накапливать сигнал длительное время. В течение этого времени собственный шум приемной системы может медленно меняться, например, из-за изменений шумов земли, принимаемых боковыми лепестками диаграммы направленности антенны, сопровождающей источник излучения. Дополнительные ошибки измерений, связанные с этим, в предлагаемом способе можно устранить, если время накопления разбить на более короткие интервалы, в течение которых изменениями собственного шума приемной системы можно пренебречь, для каждого интервала времени измерить предлагаемым способом энергетический спектр сигнала, а затем усреднить полученные спектры сигнала.

Образец аппаратуры в показанном на чертеже составе был испытан на радиотелескопе РТФ-32 в радиоастрономической обсерватории "Светлое" (Ленинградская область) и подтвердил преимущества предлагаемого способа перед применявшимся ранее автокорреляционным способом. Выделялись из шумов и измерялись узкополосные радиоизлучения в спектральных линиях весьма слабого энергетического уровня (на 30-35 дБ ниже уровня собственных шумов высокочувствительного радиотелескопа нового поколения РТФ-32).

При повторении сеансов наблюдений результаты измерений спектральных характеристик даже при сокращенном в 2,5 раза времени наблюдения (по сравнению с прототипом) имеют незначительный разброс (единицы-десятые доли процентов). При известном способе этот разброс был значительно (по крайней мере в 2 раза) больше, что свидетельствует о более высокой точности предлагаемого способа.

Способ основан на вычислении реализации спектра выходного сигнала приемно-усилительного канала радиотелескопа путем быстрого преобразования Фурье, накоплении и усреднении реализации спектра. Сравниваются мощности смеси сигнала и собственного шума на выходе канала с мощностью шума в полосе частот, не занятой исследуемым сигналом, и на амплитудной калибровке с помощью шумовых импульсов, периодически вводимых в приемно-усилительный канал. Частотную полосу расширяют так, чтобы в ней был участок, не содержащий сигнала. Реализации спектра вычисляют и при введении шумовых импульсов калибровки, и в паузах между ними. Раздельно усредняют реализации спектра при импульсах и без них, а по усредненным реализациям спектра вычисляют средние значения мощностей шумов на частотах, свободных от сигнала, при введенных импульсах калибровки и без них. По паре усредненных реализаций спектров сигналов на выходе приемно-усилительного канала и паре полученных средних значений мощностей шумов вычисляют энергетический спектр исследуемого сигнала в антенне. Спектральные компоненты шумовой температуры исследуемого сигнала определяют как произведение половины шумовой температуры импульсов калибровки на отношение разности сумм пары компонентов усредненных спектров и пары средних значений мощностей шумов к разности средних значений мощностей шумов. Для уменьшения погрешностей, вносимых нестабильностью параметров приемной системы, время наблюдения источника излучения разбивают на более короткие интервалы, в каждом интервале вычисляют энергетические спектры сигнала, а результаты усредняют. Технический результат заключается в уменьшении времени наблюдения сигнала и повышении точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения энергетического спектра узкополосного космического радиоизлучения, основанный на вычислении реализации спектра выходного сигнала приемно-усилительного канала радиотелескопа путем быстрого преобразования Фурье, накоплении и усреднении реализации спектра, на сравнении мощности смеси сигнала и собственного шума на выходе канала с мощностью шумов в полосе частот, не занятой исследуемым сигналом, и на амплитудной калибровке с помощью шумовых импульсов, периодически вводимых в приемно-усилительный канал, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени наблюдения и повышения точности измерений, расширяют частотную полосу анализа так, чтобы в ней был участок, не содержащий сигнала, реализации спектра вычисляют и при введении шумовых импульсов калибровки и в паузах между ними, раздельно усредняют реализации спектра при импульсах калибровки и без них, а по усредненным реализациям спектра вычисляют средние значения мощностей шумов на частотах в полосе, свободной от сигнала, при введенных импульсах калибровки и без них, после чего по паре усредненных реализации спектров сигналов на выходе приемно-усилительного канала и паре полученных средних значений мощностей шумов вычисляют энергетический спектр исследуемого сигнала в антенне радиотелескопа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектральные компоненты шумовой температуры исследуемого сигнала определяют как произведение половины шумовой температуры импульсов калибровки на отношение разности сумм пары компонентов усредненных спектров и пары средних значений мощностей шумов к разности средних значений мощностей шумов.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешностей, вносимых нестабильностью уровня собственного шума приемной системы радиотелескопа, время наблюдения источника излучения разбивают на более короткие интервалы, в каждом интервале вычисляют энергетические спектры исследуемого сигнала, после чего эти спектры усредняют.