Корреляционная обработка и цифровая фильтрация сигналов в системах автоматизации научных исследований тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

на ии

и ? О '£$3 - о >- ='л

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК . Институт аналитического приборостроения

на правах рукописи УДК 881.3

ФРИДМАН Петр Александрович

КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ОБРАБОТКА И ЦИФРОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛЮ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов,автоматизация физически исследования

Автореферат диссертации на соискание учено» степени доктора физико-математических наук

Санкг-Пэторбурт - 1993

Работа выполнена в Институте аналитического приборостроения Российской Академии Наук

Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук

Ведущая организация:Главная астрономическая обсерватория Российской Академии Наук

Институте аналитического приборостроения РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института аналитического приборостроения РАН-.

Автореферат разослан "Ла." э, 1993г.

Учвныа секретарь Специализированного совета Д.0р3.63.02

И.В.Госачингасгй,

доктор физико-математических наук профессор С.Б.Гуревич, доктор технических наук профессор В.Ю.Петрунькин.

в часов

на заседании Специализированного совета Д.003.53.02 при

(198103,Санкт-Петербург, Рижский пр. ,26)

кандидат физико-матемчгических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Современный физический эксперимент немыслим без сопутствующее электронной аппаратуры,выполняющая измерительные, управляющие и контрольные функции. Усложнение задач, стоящих перед экспериментальной , физикой и сложным аналитическим приборостроением, связана с совершенствованием электронной техники.В целом проблематика связи физического прибора с человеком посредством кибернетической системы является главным содержанием такой обширной области науки и 'техники, как автоматизация физического эксперимента, находящейся на стыке физической техники, прикладной математики,электроники и программного обеспечения (рис. I).Развитие микропроцессорной техники привело к "интеллектуализации" всех звеньев автоматических систем управление и контроль, сбор данных, шрЕИЧная обработка.Микропроцессоры, встроенные в отдельные узлы .решают всо более сложные задачи.На первой стадии ("обработка I") используются •математические методы, которые необходимо применять,как правиле, в реальном времени, или сразу же после эксперимента, для того,чтобы подготовить экспериментальные результаты к стадии теоретического анализа ("обработка II").

Математика первичной обработки ( ми >может быть реализована аппарзтно ( ни )или программно ( эй ) ,в зависимости от возможностей вычислительной техники.В последние года наметилась тенденция создавать специализированше процессоры первичной обработки на основе заказных больших интегральных схем (БИС), что резко повышает производительность и надежность.Вместе с тем,необходимо выбирать и разрабатывать соответствующие математические метода, которые могут бьггь эффективно реализованными в вида аппаратных решений.

Данная работа посвящена методическим и практическим результатам,полученным автором в области сбора данных и первичной обработки при автоматизации физического эксперимента.Эти две задачи настолько переплетены, что не всегда удается в работе отдалить одно Ьт другого.Путеводной звездой в таких проблемах является общая теория сигналов, метода которой применены в данной

р^сЛ.Сор:Оочка слГ>'а.чое б системах '¿БГот1ьиип.ии намного эксперимента

«

работе в различных приложениях. С помощью одних и тех да базовых идей удается решать задачи, связанные с совершенствованием структуры отдельных устройств, включая физическую аппаратуру, и систем1 в целом, разработкой эффективных алгоритмов обработки.которые воплощены в аппаратуру и в программы.

Целью_работы является анализ и разработка эффективных методов корреляционной обработки и цифровой фильтрации сигналов в системах: автоматизации научных исследования и их внедрение в практику научно-технического эксперимента.

В соответствии с далью работы в основные задачи исследования входят:

анализ возможностей повышения информативности радиоастрономических наблюдений методами структурного . совершенствования приемников , улучшения помехоустойчивости и пропускной способности систем сбора данных,

исследование структуры и алгоритмов подсистем корреляционной обработки и передачи данных радиоинтерферомвтров со сверхдяинной базой с далью повышения координатной точности и построения радиокзобрзжения с высокой разрешающей способностью, разработка специализированных процэссоров корреляционной обработки с использованием современной технологии полузаказных БИС,

разработка алгоритмов двумерной обработки сигналов,в частности, радиоизображений с далью улучшения его качества тред оценкой параметров и распознаванием объектов.

Научная новизна работы.

1.На основе анализа структуры систем призма радиоастрономических сигналов предложены новые аппаратурные решения радиометрических каналов,позволившие улучшить реальную чувствительность радиотелескопов.

2.Предложены новые структуры систем сбора данных,позволившие повысить информативность уникального радиотелескопа с антенной переменного профиля.

3.Проанализировано влияние на координатную точность радиоинтерферометра со сверхдошной базой аддитивных шумев и флуктуации фазы из-за турбулентности атмосферы и предложены новые метода синтеза широкой полосы приема и оптимизации геометрии радиоинтерфераметрическоа сети.

4.Разработаны комплекта больших интегральных схем,позволившие создать стциализированные корреляционные устройства для рэдиоинтерферометра со сверхдлинноа базой и лазерной фотон-корреляционной спектроскопии.

5.Проанализированы системные возможности создания радиоиитерферометрических комплексов для наблюдении за

, космическими радиомаяками и предложены новыэ технические решения для реализации таких радаоинтерфераметров.

6.С далью повышения эффективности процедуры сбора данных при физических экспериментах предложен метод адаптивной дискретизации, позволяющий сократить время .¡першента и необходимые вычислительные ресурсы.

7.Разработаны и применены методы восстановления радиоизображения при двухдучевом диаграммном сканировании и при наблюдениях с кольцевой апертурой.

8.Разработан новый метод адаптивной экспоненциальной декомпозициии кривых затухания при импульсной лазерной флуориметрии.

На защиту выносятся:

аппаратурно-алгорштоиаскш методы повышения помехоустойчивости радиотелескопов, включающие в себя использование пилот-сигнала в квазимодулядионноа схеме радиометра с несимметричной модуляцией и цифровые метода преобразования и передачи радиоастрономического сигнала,

результаты анализа и метода повышения координатной . точности радиоинтврферо метра со сверхдлинной базой,

аппаратурные сйособы корреляционной обработки в радаоинтерферометрах со сверхдлинной базой и фотон-ксрреляциовнои спектроскопии,

метод коррекции радиоизображения при наблюденииях с двухлучевым сканированием и кольцевое аперггуроа,

метод адаптивной дискретизации в физическом эксперименте, •

метод адаптивной экспоненциальной декомпозиции в импульсной лазерной флуориметрии.

Практическая данность работы, Разработанные аппаратурно-праграммныо решения нашли применение в практике радиоастрономических наблюдений и измерениях по методу фотон-корреляционной спектроскопии, в частности: Система сбора на радиотелескопе РАТАН-600 обеспечила соответствие большой интенсивности потока наблюдательных

данных и возможности vx регистрации.

Метод радиометрического приема с пилот-сигналом применен на уникальных радиометрах с охлажденными до температуры жидкого гелия входными усилителями и позволил получить рекордные по чувствительности обзорные данные на радиотелескопе РАТАН-600.

Метод обработки радиоизображения успешно применен при построении изображений радаообьекта с высоким угловым разрешением при наблюдении в режиме кольцевой апертуры.

Разработанные специализированные большие интегральные схемы нашли применение в корреляционных процессорах радиоинтерферометрической сети со сверхдлинной базой и в корреляторах фотон-корреляционной спектроскопии,гибридные микросхемы коррелятора серийно выпускаются в промышленности.

Метод адаптивной многомерной дискретизации может найти широкое применение в практика физических экспериментов и согласовать сверхбольшие потоки данных и ограниченные ресурсы систем сбора данных.

Апробация работы.Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 11-я Всесоюзная конференция радиоастрономическая конференция по аппаратуре, антеннам и методам(г.Ереван,1978) ¡1 Всесоюзная школа по радиоастрометрии (г.Симеиз,IS79); 14-я Всесоюзная конференция "Радиастрономическая аппаратура, антенны и методы"(г.Ереван,1983);17-я Всесоюзная конференция "Радиоастрономическая аппаратура",(г.Ереван,1985);18-я Всесоюзная радиоастрономическая конференция (г.Иркутск,1986);Всесоюзая конференция "Люминесцентный анализ в медицине и биологии" (г.Рига,1988);Всесоюзное совещание по молекулярной люминесценции (г.Караганда,1989)¡Всесоюзная конференция "Метода и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов"(г.Рига,1989)¡Международная конференция "Latvian signal processing international conference"(Г.РИГЭ,1990);МеВДУНарОДНЭЯ конференция "Electronic Instrumentation in Physics"(r.Дубна,1991); 8-й Международный Симпозиум ш проблемам модульных информационно-вычислительных систем и сетей (г.Дубна, 1991); 1-я Всесоюзная конференция "Распознавание образов и анализ изобрзгений" (г.Минск.1991); 5-я Международная школа -семинар ;

"Computing and Automation in Nuclear Physics and Astrophysics"

(г.СОЧИ,1992).

По материалам диссертации опубликовано 56 работ, в том числе одна монография (в соавторстве),33 статьи и 2 изобретения.

Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения,трех глав, заключения, списка литературы (НО наименовании), изложенных на 253 страницах, содержит 131 рисунок и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается постановка задач в автоматизации научного зксгоримента ,где особое внимание должно быть уделено математическим, аппаратурным и программным решениям, связанным с обработкой сигналов.

Предметом рассмотрения в диссертации являются метода, и алгоритмы, позволяющие на основе использования современных математических методов и достижений электронной техники наиболее эффективно организовывать эксперимент, его аппаратную конфигурацию, обрабатывать экспериментальные данные.

Обосновываются актуальность, научная новизна рзботы, сформулированы положения, выносимые .на защиту, описана структура и краткое содержание диссертации,

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с автоматизацией сбора и обработки данных на одном из крупнейших радиотелескопов РАГАН-600, обладающем огромной потенциальной информативностью.Реализация этой информативности связана правде всего с созданием радиометров предельной чувствительности,что достигается как применением малошумящих входных усилителей,охлажденных до азотных и гелиевых температур, так и совершенствованием структуры рздиометров.

I.Рассматривается предложенный автором рэдиометр с нилот-сигналом

который позволяет искхччигь модулятор, что само по себе уш значительно улучшает шумовые и эксплуатационные характеристики радиометра,рис.2,3.В течей© одного галугориода

ми.

С, Дет.

Избирот УНЧ

Л под

Рис. 2 Радиометр о пнлот-еягналом.

Т0, в течояга второго полу-

когда генератор шума включен,действует сумма Тг_+!-

модуляции,когда геноратор. шума(ГШ) выключен,на входа радиометра действует только собственный шум приемной системы с добавлением шумов направленного ответвителя и периода,

Т0 - шумовая температура нагрузки,ь - коэффициент гаредэчи направленного ответвителя.В те полупэриода когда включен шумовой генератор коэффициент усиления усилителя высокой частоты(или промежуточной)синхронно уменьшается так,чтобы на выходе усилителя не было составляющей частоты моду ляции.т.е. должно быть выполнено условие:

(I)

VГ1ф+ьто3 "

Здесь е1 в б2 - коэффициент усиления усилителя высокой частоты в пэрвый и второй полупериоды модуляции.В случае, если напряжения на выхода в оба полупериода сбалансированы в отсутствие сигнала,а затем подан сигнал,на выходе появится составлявшая частоты модуляции. Выделение сигнала осуществля-зтся так ве.кзк и в обычном модуляционном приемнике с помощью избирательного усилителя(или этгшфоюого интегратора),настроенного на частоту модуляция, и

Ряс. в

Врем»: радвойетр®

яш* соотяошевия в гам вт-е«гн адом.

синхронного детектора.Кроме того, исследовано влияние такого фактора на чувствительность радиометра,как спектральная плотность флуктуации коэффициента усиления и исследован адаптивный вариант радиометра с различными полосами низкочастотного фильтра после синхронного детектора:по каналу сигнала и по каналу эквивалента. Флукгтуационна я чувствителглость такого радиометра при условии

тс«ти .с^ <<1 и тща2 = стщ + (условие компенсации),

°г/'а1 ~ отношение "сигнального шггэрвала" к интервалу пилот-сиг-ла,вычисляется по формула:

Г2 ах

,т______Унт ур_/му 1 11 1

АТ ~ гг Ш 2 % с, <2>

- а1ео 2 3 1

где тс-температура сигнала,т - температура приемника,&0- усиление до детектора в интервале присутствия пилот-сигнала с температурой те,в остальное время . аг=х -д..

Введение разных полос усредняющих фильтров(различных постоянных времени)приводат к неполной компенсации флуктуации.связанных с нестабильностью коэффициента усиления.Учет этих флуктуация.усиления о со спектральной плотностью =з0г~С1+м5 дает следующую формулу дяя чувствительности:

/ч?3-

У а. К_ а.

е

Д*

(3)

Таким образом.ухудаение чувствительности из-за нестабильности коэффициента усиления зависит от радиометрического выигрыша.

2.Радиоастрономические наблюдения на радиотелескопе РАТАН-600,начавшиеся в 1974г..сразу же показали, что большой поток наблюдательных данных не может регистрироваться традиционным! методами: сакошсец, перфолента. По этому одновременно с пуском первой очереди радиотелескопа(северный сектор) был организован сбор данных с вводом в ЭВМ и регистрацией на магнитную ленту.В состав системы сбора данных входила цифровая линия связи по коаксиальному , каболв между аппаратурой облучателя и центральной ЭВМ. Связь- полудуплексная.частота синхроимпульсов Г>00Кгц - 1МГц.

По мере вступления в строй других облучателей стало ясно, что централизованный сбор (одна ЭВМ в центре) не справляется с потоком . информации.Поэтому практически одновременно с вводом в работу схемы сбора с линией связи была начата разработка гораздо более мощной системы сбора на основе КАМАК-аппаратуры.

В каждом облучателе была установлена миниЭВМ "Электронша-ЮОИ" (впоследствии замененная на "Электронику-60"). К ЭВМ были подключены 1-3 пятикрейтовые ветви.Модули, входящие в эти крейты,делятся на следующие функциональные группы:

1.Системные модули, обеспечивающие связь с ЭВМ(контроллер, драйверы ветви).

2.Модули локальной службы времени и синхронизации(преобразование среднего времени в звездное,гаямирование, индикация, генерация сетки частот модуляции).

3.Модули, осуществляющие управление•радиоаппаратурой( релейное и аналоговое управление) и контроль состояния техники).

4.Модули - выходные устройства радиометра, предназначенные для модуляционного способа приема, включающие в себя синхронные интеграторы, синхронные детекторы,фазовращатели и , каскады усиления.Переключение усиления и постоянной времени производится программным способом.

5.Модули преобразования информации в цифровую форму и регистрации на магнитную ленту (электронный коммутатор,12-разрядный быстродействующий АЦП, буферное ЗУ, блок регистрации на магнитную ленту в стандарте ЕС).

6.Модули управления внешними устройствами (электронно-лучевые дисплеи на трубке с запоминанием,устройства ввода/вывода на перфоленту,печатающие машинки).

Для функционирования комплекса разработан больной объем

специализированного программного обеспечения.

3.Постоянное улучшение чувствительности радиометров и стремление

приблизиться к предельным величинам предъявляет повышенные требования ко всем системам радиотелескопа.Большое внимание всегда удалялось низкочастотному каналу радиометров.Для радиометров .близких к предельной чувствительности, традиционной является схема приемника прямого усиления и модуляционный принцип организации радиометра. Основная задача выходного устройства радиометр? при этом состоит в синхронном детектировании сигнала '

на частоте модуляции и накоплении разностного сигнала "антенна-эквивалент". Для улучшения параметров этих устройств было разработано цифровое выходное устройство радиометра (ЦВУР), выполненное в виде КАМАК-модуля.

На рис.4 представлена блок-схема ЦБУРа.Шумовой сигнал после квадратичного детектора подан на вхол инструментального усилителя, в котором предусмотрено подавление синфазной помехи,регулировка усиления и смещение нуля.Последние две операции выполняются цифровым способом с помощью ЦАП. После усилителя сигнал а полосе О - г подается на вход интегрального АЦП.Граничная частота р-2-3 раза ниже частоты измерения г отсчеты поступают в микропроцессор (МП),где программным способом резлизуется синхронное детектирование и накопление разностного сигнала. Программа работы МП "зашита" в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), необходимые для программы константы по КАМаК-магистрали заносятся перед началом работы б ОЗУ.После осреднения в МП сигнал передается в управляющую ЭВМ.с; целью контроля этот же сигнал после ЦАП подается на.самописец.Таким образом, микропроцессор ЦБУРа программным способом реализует следующие функции: Iформирование длительности периода .модуляции,

2)синхронное детектирование модуляционного сигнала,

3)подстрота фазы при синхронном детектировании,

4)пореключвние масштаба(усиления),

5формирование интервала осредаения ("постоянная времени"), в)подавление импульсных помех.

Цифровой способ накопления улучшает характеристики ЦВУРа по сравнению с накоплением на рс-цопочкж с точки зрения стабильности и повторяемости.Программное формирование периода ».одуляции позволяет при необходимости оперативно менять этот период и ввести несимметричную модуляцию .Это.особенно важно при мнсгсчастотяом приеме,х?/роктерном дм РЛТАН-воО,когда воэдо:гао

Рис 1

возникновение помех между радиометрами из-за наводок по частоте модуляции.

4.Помеховая обстановка в системах сбора данных в физических экспериментах всегда очень напряженная.Сложные'приборы с большим количеством одновременно работающих разнородных систем,частые включения и • выключения, импульсные генераторы, а, в последнее время,импульсные источники питания, помехи по сети - все это обостряет проблему фильтрации импульсных помех в реальном времени.Общепризнано,что простая линейная фильтрация не эффективна,т.к. сильные импульсы помех после фильтрации оставляют за собой "хвосты", у линейных фильтров велико последействие, которое значительно искажает форму полезного сигнала.Известны весьма эффективные методы нелинейной фильтрации, основанные на ранговом статистическом анализе, в частности,при обработке массивов данных, зашумленных импульсными помехами, очень полезна медианная фильтрация.В связи с тем,что алгоритм- медианной фильтрации потребляет значительные вычислительные ресурсы, и обычная ЭВМ, управляющая экспериментом, не может справиться с медианной фильтрацией в реальном времени для потоков со скоростями единицы- десятки килогерц,был разработан проект цифрового медианного фильтрасз], который может быть реализован в виде БИС и установлен непосредственно за АЦП системы сбора .

Однородная структура фильтрз облегчает проектирование БИС. Реализация медианного фильтра в вице БИС должна стать непременным спутником АЦП во всех экспериментальных установках с автоматическим сбором данных.

б.Повышение точности отражающей поверхности радиотелескопов рефлекторного типа всегда было важной проблемой в радиоастрономии и радиотелескопостроении, причем с годами требования к точности все более повышаются, особенно в связи с переходом к миллиметровому диапазону.

Работы по повышению точности отражающей поверхности проводились на радиотелескопе РАТАН-600 в связи с расширением диапазона в сторону миллиметровых волн.Одной из составных частей этих работ является формирование прецизионной поверхности отражающих элементов.Поскольку число таких элементов велико(895 для кругового отражателя и 124 - для плоского) и на каждом элементе нужно

проконтролировать положение 600 точек, возникает необходимость в автоматизации контрольных измерений, осуществляемых обычно посредством нивелирования.Ниже приводятся результаты разработки лазерного нивелира для юстировки отражающих элементов РАТАН-600. ■ Структурная схема лазерного нивелира показана на рис. 5.

Рис ¡. Схема лазерного квввлнра и -процесса измерений. ПО — преобразователь отсчета 'в цифровую фориу, ЦП — цифровой пвдниатор, О — осциллограф, У У -устрой- стио 'управления п.в.с., С — светофильтр

В качестве визирного луча использован луч малогабаритного гелий-неонового лазера, пропущенный через оптическую систему нивелира.Приемная часть состоит из линеипого ПЗС-фотоприемника (ПЗСФП).устройства управления ПЗСФП, преобразователя отсчета с ПЗСФП в цифровую форму с цифровым индикатором и микроэвм. .

Приемная часть служит дот измерения перемещения пятна сфокусированного луча лазера но элементам ПЗСФП при изменении высотного положения последнего.В предположении симметричности распре^ления интенсивности света в пятне реализован следующий алгоритм:положение центра пятна определяется как полусумма двух отсчетов, задаваемых точками пересечения некоторого опорного уровня передним и задним фронтами выходного сигнала ПЗСФП.

Схематически процесс нивелировки показан на рис. 5.Если н и N - отсчеты по ПЗСФП ь точках I и II контролируемой поверхности, то разность высот дн этих точек в миллиметрах определяется как

АН ' < N

гдо т - шаг дискретизации ячеек ЛТ

»г~> т ,

Устройство имеет возможность работать в ручном ( с индикацией результатов на табло) и в автоматическом (с вводом в ЭВМ и текущим усреднением) режимах.Испытания устройства показали, что среднеквадратичные ошибки измерения лежат в пределах 14-23мкм.Разработанное устройство использовалось при юстировке отражающих элементов РАТАН-600 и может быть применено в других измерительных системах.

Вторая__глава посвящена корреляционной обработке случайных

процессов с целью выявления статистических закономерностей и вероятностных характеристик порождающих эти процессы физичечких явлений.В ней рассмотрены корреляторы двух типов : знаковые(совпадения полярностей) с особенностями их применения в радиоинтерферометр™ со сверхдяинными базами и корреляторы интенсивностеа импульсных потоков, применяемые в фотон-корреляционной спектроскопии для измерения размеров микрочастиц.

Радиоинтерферометр со сверхдяинной базой (РСДБ) астрономическия инструмент, размеры которого соизмеримы с Земным шаром, измеритель размеров микрочастиц методом динамического светорассеяния умещается на столе, но в обоих приборах существуют родственные звенья и могут применяться одни и те же электронные ■ компоненты и методические подхода, основанные на теории сигналов и шумов.

I. Радиоинтерферометр со сверхдлинной базой позволяет достичь рекордных разрешения и угловой точности. - тысячные доли угловой секунды.Основные наблюдаемые величины РСДБ - амплитуда, частота,фаза интерференционной картин, и задержка между когерентными сигналами,принимаемыми антеннами.Точность измерения этих величин зависит от отношения сигнала к шуму(ОСШ) на выходе системы обработки РСДБ.Специфика обработки сигналов в РСДБ, включающая комбинацию аппаратных и программных средств,определяет и дополнительные,по сравнению с обычным короткобазовым радиоинтерферометром (РИ) .эффекты, которые влияют на выходное ОСШ.

Отношение сигнала к шуму на выходе 2-элем8нтного короткобззового Рй,определенное как отношение среднего значения к стандартному отклонению, равно:

у рстэ/гдгт

........................ 1 (4)

У , т _ т , т _

У з1 з2 51

1+ — + - + - +■ рСгЗ

Т Т Т Т

а1 а2 аГа2

где г -коэффициент,учитываюищй стеле, ь корреляции входных сигналов РИ("видимость"интерференциошюй картины-ширина полосы приема, форма спектра прямоугольная,! - время накопления,т и тз2 -шумовые температуры приемных систом РИ, та1 и та2 -антенные температуры от источника,та1 2 = р\,ГГ1 2^ак, г - плотность потока источника, а „ - эффективные площади антенн, к - постоянная Больцмана,

р(т) = соэСАпГ ТЭ - коэффициент корреляции для прямоугольной формы частотной характеристики приемника.

При малом входной ОСШ <та1 <<1> 7лг^тзг<<1:> и ПРИ малом т 1=0 (что обычно соответствует режиму сопровождения по задержке)

/Т т '

а1 ай у--

-=—=- /глгт . (5)

51 32

При подсчете ОСШ в РСДБ формулу (5) необходимо использовать с дополнительными коэффициентами, которые учитывают ухудшение чувствительности РСДБ по сравнению с обычным РИ.Величина этих "коэффициентов зависит от применяемого способа обработки сигналов РСДБ. Определим их так',чтобы выполнялось соотношение

о •

°РСДБ = х1кг1с3к4.5к6 _ (6>

На рис.8 изображена схема РСДБ, на которой показаны те блоки обработки сигналов, которые вносят дополнительные потери.

связан с потерями при юшппировании (ограничении по нулевому уровню),к2 и к3 определяются процедурой сопровождения по задержке. Ступенчатый харзктер компенсирующей задержки приводит к двойному аффекту амплитудной и фазовой модуляции,которые размывают спектр интерференции при фурье-анализе выходного сигнала коррелятора РСДБ. Коэффициент связан с "сопрсвоздзнкем по частоте", которое б РСДБ применяют для снижения частоты интерференции корреляционного

сигнала.Коэффициент кд зависит от фазовой стабильности независимых гетеродинов РСДБ,т.е.,в основном,от применяемых опорных стандартов частоты.Коэффициент к6 связан с фдуктуациями фазы сигналов,принимаемых РСДБ, в тропосфере.В диссертации систематизированы и откорректированы эти коэффициенты .

Ри с. 6 . Блок-схем» РСДБ с указанием источников дополнительных потерь в отношении сигнала к шуму; 1,2- преобразователи частоты; S, 4 - стандарты частоты: !, 6 - клнппирующие устройства; 7, S - временнь'е квантователи; 9 - компенсатор задержки; 10 - компенсатор частоты интерференции; 11 - коррелятор; 12 - аиали-> затор спектра; 13- блок некогерентного накопления.

Важность учета всех этих коэффициентов можно показать на примере. При оптимальном времени когерентного накопления с рубидиевым 'стандартом 60с kg=I.S3 И ПОЛНЫЙ поправочный коэффициент k=k1k2k3l<4kgke=

С .1 • 1 .08« 0.9-1 ,83.1 ,08=3.26.

2.При наличии широкополосных систем регистрации и высокостабильных стандартов частоты влияние среды распространения представляет собой основной фактор.который ограничивает возможность реализации полной угловой точности РСДБ.Для сантиметрового

диапазона волн главную роль играют тропосферные эффекты. Е с7,в] проведен анализ влияния этих флуктуация на точность ■ измерения задержки и частоты интерференции в радиоинтерферометрии.Получены выражения для дисперсия этих ошибок и,как следствие,дисперсии ошибок направления на радиоисточник. Основное внимание а этих работах у: элено влиянию длины базы и времени осреднения на конечную ошис/у измерений.Показано,что при измерении задержки временное осреднение начинает играть роль лкаь в тех случаях, когда время накопления т становится значительно больше характерам о для базы ь периода флуктуации тропосферных неодаородностей -ь-^^- скорость ветра. Хотя при увеличении базы в ошибку «у вносят вклад тропосферные неоднородности все Оолышх масштабов, тем не менее ошибка в измерении координат оказывается не зависящей от базы,поскольку при

т»1ь о^-ь.Такое своеобразное поводение ^связано с взаимодействием между пространственной и временной фильтрациями тропосферных неоднородностей.На базах, меньших внешнего масштаба трехмерной турбулентности ь (эффективной толщины тропосферы - 1.& ь ), которые типичны для оптических телескопов и радиотелескопов с заполненными апертурами, уменьшение фазовых шумов тропосферы кокет быть достигнуто линь при достаточно больших временах накопления.Осреднение становится . особенно эффективным, когда т>ь л, Однако даже в этом

л

, случае при разумных временных интервалах накопления т < КГсек тропосфера ограничивает точность углового измерения в сеансе сотыми долями секунды дуги.

Ддя измерения частоты интерференции при малых временах накопления т тропосферная ошибке! межет бить уменьшена в основном за счет увеличения базы.

Однако даже на сверхдлинных базах (ь > ^ , ь - внешний масштаб двумерной турбулентности ) тропосферные ограничения будут составлять сотыэ доли сэкунды дуги.Этот более жесткий по сравнению с фазовыми измерениями или измерениями задержи предел объясняется тем,что спектр ф-луктуация частоты интерференции ,• всегда более высокочастотен,чем спектр флуктуация разности электрических длин.тзк как вклад мелкомасштабных(высокочастотных) тропосферных нзодаоредноггеа оказывается весьма доптятел-Ш!.

З.Дяя проведения угломерных измерения необходимы фаза и частота интерференционного отклика, однако абсолютные значения фазы в РСДБ получить не удается из-за аппаратурных и атмосферных нестабильностеи.Вместо фазы используется другая величина - групповая задержка - разность времени распространения радиоволн от радиоисточника до антенн РСДБ.Ошибка измерения задержки обратно пропорциональна эффективной полосе пропускания приемников дгг3фф и отношению сигнал/шум Q. Поскольку ширина полосы пропускания "в РСДБ ограничивается регистрирующей техникой - магнитофонами, то в практике радиоастрономических наблюдений используется метод синтеза широкой полосы.

Предлагается новый способ синтезирования - многократное "свертывание" полосы принимаемого сигнала.Блок-схема аппаратуры при синтезировании полосы методом "свертывания" представлена на рис.7.Частота первого гетеродина г выбирается в середине полосы пропускания приемника,рис.7у .т.е. производится двухполосный прием (принимаются оба зеркальные полосы).При этом происходит "свертывание", спектр частот сигнала переносится в область видеочастот О - ¿г^г ■ Частота второго гетеродина равна f^=afm^4,при этом ширина спектрэ сокращается еще в 2 раза, до afmx4. Рис.7? : иллюстрирует такое последовательное гетеродини-рование с сокращением полосы в 2 4 раза(четыре гетеродина). Отклик радиоинтерферометра .построенного по предлагаемой схеме,на точечный источник дается следующим выражением (разностью фаз гетеродинов на пунктах пренебрегаем):

sin2rr&fCT -т ) sina^r"1* ZrxAfr J = 2I -Е-В--г_ cosC (7)

2пДГСт_-т ) sin 2пДГт_ - • 1 х

I, К 1

Первый множитель вида sin^x определяется прямоугольной формой частотной характеристики выходного фильтра приемника, имеющего полосу пропускания дг, Tj.(t)- "геометрическая" задержка между сигналами, принимаемыми антеннами РИ, т (i) - компенсирующая задержка, которая вводится при обработке в "опережающий" сигнал скачками по 1/2дг.Второй множитель вида s±n2Mr_1 ax^sina* представляет собой результат синтезирования широкая полосы 2мгдг (где нг -

количество гетеродширований), именно он формирует узкий импульс внутри интервала 1 , на котором rK=const (рис.8).Максимальной амплитуды импульс достигает в момент дмпри отсчете от начала i-го. интервала' Г0),т.е. в момент íTq+ль т^г^а/глгэ.

Рис. 7. Синтез широкой полосы методом "свертывания", в) Блок-схема алпара; ры пункта РСДБ, I - усилитель высокой частоты, 2{ - 1-й смеситель, 3( - /-й филь видеочастоты, 4 - блок гетеродинов, 5 - стандарт частоты, 6 - ограничитель по ну-■ому уровню, 7 - устройство временного квантования, 8 - магнитофон, б) преобра: вшил спектра при "еяертыванш".

Рис. е. Отклик РСДБ е сяктоом широкой полосы метдок "свершвшиа"

Высокочастотное запо.лнение отклика созсы^т^ не содержит фазового члена типа ядгсг -г э .присутствующего при однополосном приеме (с подавлением зеркальной полосы) и вынуждающего делать коррекцию скачков, происходящих при ступенчатой компенсации с помощью ) геометрической задержки т^).Почта такого же вида,как в (7), амплитуда отклика получится в РИ, построенном по обычной схеме синтеза .если количество гетеродинов сделать равным 2у1г и установить частоты их настройки их так,чтобы узкие полосы йриема в смежных каналах "прилегали" друг к другу, полностью заполняя сплошную полосу приема шириной дрн.

Ошибка измерения задержки ¿т образуется из двух составляющих: 2 2 2 - 6н + *ан <8>

¿н - нормальная ошибка (потенциальная точность измерения), Фдн -аномальная ошибка, влияние которой проявляется в повышенной вероятности выбрать ошибочный пик на "шумовой дорожке" и приписать его действию сигнала .Влияние этой последней ошибки носит пороговый характер и особенно ощутимо при использовании сигналов с большими боковыми лепесткамиПроведем сравнение обычного и предлагаемого методов синтеза по зависимости ошибки 6 от отношения сигнал/шум о. Опуская промежуточные выкладки, получаем расчетные формулы для <51т и <52т - полных дисшрсия оценок измерения задержки дая сравниваемых способов синтезирования: -для обычного синтеза -

'2 эснг-1э2 дгм

б = -г- + -—г— (9)

для "свертывания" -

3 0,03782КГ

6%, = - + -X- ехрС- с£ УЗУ .. (Ю)

гт2С 2МГ )2ДГ20| АГ

Расчеты по формулам (9) и (10) показывают,что пороговый эффект, связанный с аномальными ошибками для метода "свертывания", появляется при отношении сигнал/шум примерно в 5 раз меньше,чем при синтезе с разносом узких полос. Точность в зоне действия только, нормальной ошиЗки( при больших ср и при одинаковом числа

гетеродинов примерно одинакова.

4. Радиоинтерферометрия радиомаяков.

Расширение области применения радаоинтерферометрической техники с целью решения задач геодинамики и небесной механики связано с необходимостью наблюдений искусственных радаоисточников (радиомаяков) на ИСЗ.Луне и других телах солнечной системы. В работах из.азз показаны мэтодаче . " ш преимущества этого метода и даны оценки его потенциальной точности, предложен состав аппаратуры для наблюдений радиомаяков.Сигналы радиомаяков более сильные,чем у естественных источников , и, в то же время,узкополосные. Навигационные спутники типа ыдуггАй излучают шумоподобные сигналы(ширина полосы - несколько МГц), которые без расшифровки можно наблюдать как естественное излучение.

Приведем оценки точности измерения т и г(задержки и частоты) для спутников и РИ со следующими параметрами приемно-передающего комплекса:мопдаость передатчика р=1Вт,антенна передатчика - всенап-равленная, диаметр приемных антенн а=2 м,шумовая температура приемных антенн тщ = 1Ю0'К, время усреднения '-=1с.На рис,да представлены зависимости ошибки измерения задержки <?г от полосы регистрации аг (сплошные линии).Кривая I соответствует наклонной дальности до радиомаяка 1000 км,2 -3600 км, 3 -10000 км.Штриховые кривые дают зависимости ст для деухчастотного интерферометра с в)с разносом частот приема на 10 МГц.'

чч

Рис. Э

Рассмотрим другой виц сигнала -монохроматический.Пусть радиомаяк излучает N синусоидальных немодулированных сигналов, отстоящих по частоте на величину Дш^.о^+дш,... «1+см-1Эд<о. На каждом пункте производится запись в цифровой форме отсчетов синусоидальных сигналов,частоты которых путем гетеродотирования понижены до величины, достаточной дяя записи на серийный низкочастотный магнитофон. Так же,как и в системах с шумоподобным сигналом,отсчеты должны сниматься в моменты,заданные высокостабильным синхрогенерзторбм.

Наиболее прост двухчастотный прием .когда радиомаяк излучает только два сигнала с частотами ш1 я

На рис.9 а и б горизонтальные линии соответствуют точности измерения задержки и частоты интерференции для двухчастотного метода приема монохроматических сигналов, разнесенных на 10 МГц (параметры приемно-горедающей системы те же).В этом случае ошибка меньше,чем при использовании шумоподобных сигналов той же мощности.

5.Оптимизация геометрии многоэлементного радиоинтерферометри-ческого_котлекса.При составлении проекта радиоинтерФреокетри-ческой сети необходимо принимать во внимание несколько противоречивых требований.Многоэлэмептный РИ - дорогой и сложный наблюдательный инструмент, создаваемый с далью решения двух основных задач радиоастрономии:

1.Точное измерение координат рздооисточяиков(составление каталогов).'

2.Анализ пространственной структуры радаоисточников(построение радиоизображений).

Для этого РИ должен обладать высоким пространственным разрешением и необходимой чувствительностыб по потоку,"хорошей" диаграммой направленности с малым уровнем боковых лепестков),большой зоной общей видимости радиоисточников.

Учитывая высокую стоимость антенн и аппаратуры приема и обработки, была поставлена задача оптимизации числа N и размеров а антенн комплекса и их пространственного размещенияИ8,1е1 .При этом использовался сигнальный подход:

I.Оценивалось результирующее отношение сигнал/шум после обработки и с учетом влияния атмосферы.

2.Оценивалось влияние атмосферы как случайного фазового фильтра.

3.Учитывались основные методы обработки, имеющие целью преодоление влияния атмосферы (дифференциальные измерения и метод '

опорного объекта).

В качестве исходаого было задано требование, чтобы система с шумовой температурой Тш =50* К имела угловой разрешение =1СГ4" на длине волны ^=5см.Определена минимальная общая площадь системы, которая обеспечивает такое разрешение с применением метода опорного объекта.Дисперсия угловых измерений определяется шумами тропосферы и аппаратуры,временем когерент;/ .о накопления (тропосфера и стандарты частоты).методикой дифференциальных" измерении.При расчетах использовалось соотношение поток s - число п для радиоисточников

n=nQcsssj ,где п0=СБо-1ооз/-стерадаан,н0=ол ед.пот.

.источников.Эффективная площадь' антенной системы, обеспечивающая угловое разрешение &ч> = о. oooi" .равна dSyRc7FT) а 7. 5-ю4м2. Если проводить радиометрические измерения электрической толщины тропосферы,то можно учесть значительную часть эйконала при обработке и тогда ¿2умсм-.о= 7.8-ю3м?

. Для того.чтобы выбрать оптимальную комбинацию а и n,необходимо составить оценку стоимости системы,которая складывается из стоимости антенны а стоимости аппаратуры,по-разному зависящих от к.Обычно принимается,что стоимость антенны - а2-8 .При заданной эффективней площади системы <j?n стоимость ее антенной части ~ nd2,^h~a 4,т,е. убывает с ростом n.c другой стороны стоимость аппаратуры системы растет с ростом ы.так что должен существовать оптимум по стоимости.Представим стоимость системы в виде:

d - NCN-13 d

+ NCl+O.l+O. 5+0. 05Э • + —-- О. OS (II)

Здесь первый член представляет стоимость антенн,включающую аммор-тизадаонныэ расхода за 10 лет,второй - стоимость аппаратуры(приемники,линии задержки,пункты связи.с ИСЗ,пункты измерения эйконала).третий - стоимость корреляторов и четвертый -эксплуатационные расходы за 10 лет.Если ведутся измерения эйконала,то система с минимальной стоимостью может быть образована из в-12 антенн с диаметрами а=гз-зом .

Кроме геометрических соображений при выборе места для антенн на тако* огромной территории .как СНГ, принимаются во внимание и организационные факторы ( наличие дорог,коллективов

радиоастрономов,технического обслуживания).Поэтому абсолютная оптимизация геометрии на практике невозможна.Для оценки радиоизображения необходимо знать форму синтезируемой диаграммы направленности,влияющую на качество радиоизображения.

Качество изображения определяется степенью заполнения uv—плоскости и отношением сигнала к шуму Q в кавдой из ее дискретных-'Ячеек. Очевидно, что только много элементная система способна достаточно плотно заполнить uv-плоскость при относительно небольшом числе телескопов м, т.е. сформировать синтезированную диаграмму направленности с небольшим уровнем боковых лепестков.

В качестве универсальной характеристики, позволяющей сравнивать системы с различными конфигурациями,предлагается пространственная информативность (гз:

i

' 1= 2 1 (12) i.J

где Q - отношение сигнала к шуму в ij-я ячейке u v-mra скости с дискретным прямоугольным разбиением с размером элементарной ячейки ди1ду^.в диссертации приведены зависимости плотности информации на стерадиан для систем с различными конфигурациями .при наблюдении источника с угловым размером о",01 с разными склонениями.

(Было проведено моделирование с целью оценки формы диаграммы направленности при различных расположениях антенн. На рис.Юа показан пример заполнения uv-плоскости для 10 пунктов при склонениях источника <s =45° и дчя 3 пунктов для того же склонения.При выборе пунктов были учтены упомянутые выше организационные соображения.На рис.106 показаны диаграммы направленности,соответствующие этим спектральным характеристикам.

6.Лшш_передачи^адаоштерферометра_со оф§боткой_в_^альном_времени.С самого начала возникновения РСДБ основным средством передачи сигналов с пунктов приема, удаленных на тыоячи километров друг от друга, были магнитофоны. Совершенствование систем РСДБ главным образом зависело от средств магнитной записи .Однако принцип независимой записи . сигналов на магнитную лзяту имеет существенные недостатки: а)новозкожность работать в реальном времени;

в)

S)

Рис. 10

б)для проведения непрерывных круглосуточных наблюдений небходимо очень большое количество магнитной ленты;

в)магнитофоны ограничивают полосу пропускания РСДБ.что снижает отношение сигнал:шум к точность измерения задержки.

Все эти недостатки, в принципе, могут быть устранены при использовании спутниковых систем связи (ССС) для ретрансляции необходимых сигналов в центр обработки.Рядом с основной антенной радиотелескопа, следящего за исследуемым объектом, расположена антенна спутниковой связи.Сигнал с радиотелескопа,

преобразованный так же ,как и в случае с записью на магнитную ленту,(однобитовый с временным квантованием с частотой 2лг) передается в цифровом виде с помощью вспомогательной антенны спутниковой связи через геостационарный спутник в центр обработки.

Потенциальные возможности ССС по пропускной способности намного превосходят существующий требования по передаче потоков передаваемой на Земле информации.Предельная пропускная , способность геостационарной орбиты составляет 50Мбит/ (МГц* град), что означает,что на дуге орбиты 1° возможна организация 400-1176 каналов передачи телевизионных сооб'дении.

Потребность сети РСДБ,состоящей из 10 элементов, в передаче цифровой информации "по максимуму" равна:10 потоков по 2-109биг/сок (два приемника с полосами приема по 500МГц),или 2-101ибит/сек,т.е. с "потенциальной точки зрения" достаточно вписывается а возможности ССС и не составляет особой конкуренции другим источника!! ' информации.

В с22,23] проанализированы-преимущества и недостатки применения .ССС в РСДБ.К недостаткам надо отнести загруженность каналов спутниковой связи, несоответствие каналообраэующей аппаратуры ССС потребностям РСДБ.узкополосность по сравнению с магнитной записью, большие размеры земных станций,необходимые для передачи сотен мегабит/сек,помехи,создаваемые J земными станциями основному радиотелескопу,высокая стоимость.

Перечисленные трудности не снимают проблему использования ССС в технике РСДБ,т.к. важность обработки данных в реальном врэмеки 1 трудно переоценить.

Для обеспечения первой очереди радиоинтерферометричоской сети была разработана аппаратура передачи данных по ССС t4si.Аппаратура позволила передавать радиоастрономические данные от трех удаленных радиотелескопов, работающих в режиме РСДБ в центр обработки через стандартный ствол ретранслятора спутника связи "Горизонт" в диапазоне 11/14 ГГц.Скорость передачи - 9 Мбит/с с каждого пункта, что позволяет осуществить работу в режиме двухчастотпого синтеза,

необходимого для решения радиоастрометрических задач.

Перейдем теперь к наиболее перспективному способу передачи данных для РСДБ на линии "пункт-центр" - волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС).Основные проичуаестаа ВОЛС слодувдко: I.Самая большая скорость передачи данных - сотни мопюит/сок.

2.При сравнении с обычными кабельными линиями связи ВОЛС дают возможность существенно увеличить расстояние меэду ретрансляторами- до 50 - 100 км.Это объясняется малыми потерями

в линии:промышленные ВОЛС имеют сейчас потери менее б дЗ/км,лабораторные образцы - менее 0,2 дб/км.

3.Нечувствительность к электромагнитным помехам и перекрестным искажениям.

4.Полная электромагнитная совместимость с другими техническими средствами на пущстах РСДБ.

5.Отсутствие излучения, скрытность связи.

6.Меньший диаметр и масса, низкая стоимость,простота укладки -по сравнению с традиционными кабелями.

Таким образом, ВОЛС наиболее подходят для передачи предельно широкополосных радиоастрономических сигналов от стационарных пунктов РСДБ к центру для обработки в реальном времени.

7. Ком1щкс_коррелад5отаой_дбработки_.

Для обработки записей на магнитных лентах.полученных на пунктах РСДБ,был разработан специализированный аппаратурный комплекс.

В состав аппаратуры, входят устройство управления накопителями на магнитной ленте НМЛ,предназначенное для считывания данных в системе MK-I и ввода в ЭВМ.Вычисления корреляционной функции выполнялись программно.

Обработка сигналов, записанных на видеомагнитофоны(ВМ) представляет собой более сложную задачу.Обработка должна производиться в реальном времени,т.е. одновременно со считыванием с ВМ.Для синхронизации движения с двух ВМ предназначен блок синхронизации движения.Блоки декодирования БД1 и БД2 выделяют синхросигналы.замешанные в общий сигнал, в частности, тактовые импульсы(период 0,2мкс) и кадровые импульсы(период 5мс). Формат записи отличается от телевизионного, и устройства записи также были специально разработаны для системы MK-II.'

Перод записью в буферную память выполняется грубая компенсация геометрической задержки и частоты интерференции.Работа копрелятора подробно описана в с юз.

Блок счета совпадений (БСС,коррелятор) построен по принципу параллельного анализа состояния регистров вывода блоков памяти.

Принцип параллельного анализа,использованный в БСС, позволяет снизить в 16 раз частоту тактовых импульсов коррелятора , что повышает надежность всего устройства, а при необходимости дает возможность вычислять знаковую корреляционную функцию с тактовой частотой, в 16 раз превышающей предельную частоту элементной базы всех устройств после входных регистров.'

Аппаратура обработки сигналов РСДБ использовалась душ обнаружения корреляционного сигнала при наблюдении квазаров и ИСЗ.

8.Гибридный оптико-цифровои коррелятор для сигналов РСДБ.

Высокие скорости 'обработки, необходимые в корреляционных процессорах многоэлементных радиоинтерферометрических сетей, предъявляют особые требования к элементной базе, увеличивают габариты,стоимость,снижают надежность.Разделение штока данных " на стандартные полосы по 2МГц усложняет аппаратуру преобразования спектра на пунктах РСДБ.

Одним из возможных путей преодоления' указанных трудностей является использование в центре обработки гибридных оптико-цифровых систем,в частности акусто'оптических корреляторов. В с зоз пре.цложен способ применения акустоопгических корреляторов для обработки сигналов радаоинтерферометров и приводятся результаты экспериментального исследования макета акустооптического коррелятора. Для исключения влияния нелинейности модуляционных характеристик и повышения контраста выходного распределения в схеме акустооптического коррелятора с интегрированием во времени предлагается перейти от обработки видеосигналов к обработке соответствующих им знаковых сигналов. Переход к обработке знаковых сигналов позволяет установить в каждом модуляторе минимально возможное смещение и при этом подучить 100%-ную глубину модуляции интенсивности света.Это дает значительное повышение контраста выходяого распределения(отношение постоянной составляющей к полезному сигналу при обработке шумовых сигналов с сильной корреляцией) , а также лучшее использование динамического диапазона фотоприемника.

Корреляционная функция с выхода ПЗСФП вводится в ЭВМ для последующей обработки - получение оценок интерференционного отклика с большим частотным разрепениэм.Число отсчетов по задержке равно числу элементов в ПЗСФП ( ^ 103) .Дм регистрации корреляционного пика нужно гораздо меньше отсчетов.Поэтому отсчеты вводятся в ЭВМ

из небольшого окна по задержкам.Это окно делается управляемым (скользящим) таким образом, чтобы отслеживать перемещение корреляционного пика по элементам ПЗСФП при изменении геометрической задержки из-за вращения Земли.В этом случае акустооптическиа корелятор берет на себя часть функций линии задержки (ЛЗ) интерферометра, что позволяет делать основную ЛЗ с более крупным шагом, равным времени задержки АОМ, т.е. величине ь/у (десятки микросекунд).Это обстоятельство существенно упрощает задачу изготовления широкополосной лз и управления ее работой.

Важным преимуществом оптического коррелятора является двумерность оптических систем обработки.Вторая координата может быть эффективно использована при обработке сигналов многоэлементных интерферометров в одном устройстве.Габариты"акустоопггического коррелятора при этом практически не меняются.

Для исследования работы анустоопггичэского коррелятора с интегрированием во времени и характеристик ряда его элементов был собран макет коррелятора, на котором был опробован способ однобитовой корреляции оптическими средствами.

Рассмотрение возможностей акустоопткческого коррелятора с интегрированием во времени показывает, что он является перспективным устройством для использования в системах корреляционной обрзоотки сигналов РСДБ.

9.Комплект БИС для корреляционной обработки. Создание больших рэдиоинторферометрических систем типа "Полигам" С12,гэз поставило на повестку дня усовершенствование спецпроцессора корреляционной обработки, размеры и стоимость которого могут значительно влиять на обшую экономическую оценку проекта .В связи с этим был разработан комплект больших интегральных схем (БИС) на основе базовых матричных кристаллов( БМК) ыо.^е: .Основные структуры и функции этих БИС следующие.

I. Коррелятор совпадения полярностей(знаковый) вычисляет взаимную корреляционную функцию однобитовых потоков. 1 Число задержек в одной БИС - восемь,мишздальныя тактовый интервал 200нс.Последовательный выход сдвигового регистра подсоединяется к входу сдвигового регистра аналогичной БИС "знаковые коррелятор" и ■ таким образом формируется коррелятор с 16,24 и т.д числом задерже^.ИервыА вариант БИС был изготоглек на с-сневе »-МОП

технолог™ на БМК К1801ВП1,второй - по технологии lasarray.

2.Блок накопительных счетчиков состоит из восьми восьмиразрядных синхронных счетчиков .Входы этих счетчиков подсоединяются к выходам БИС "знаковый коррелятор", и в совокупности эта пара БИС образует набор для построения корреляторов с большой емкостью накопления.

3.Цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) предназначен для генерации квазигармонических сигналов sin и cos с целью использования"их в операции цифрового гетеродинирования .Эта операция эквивалентна частотному сдвигу между сигналами и используется для компенсации доплеровского сдвига в радиокнтерфзрометрии.

4.С целью увеличения степени интеграции и применения в современных разработках кристаллы первых двух БИС были объединены в одну гибридную микросборку.В состав микросборки входят один кристалл "знаковый коррелятор" и три кристалла "накопительный

счетчик".Таким образом, в целом микросборка представляет собой восьмиканальныа коррелятор с 30-разрядными накопительными счетчиками,тактовая частота 5МГц.

10. Кор]»летрд_дщ_ана.^а ^азшрга дгаамического_светорассеяния,Метод фотон-корреляционной спектроскопии является эффективным способом анализа размеров микрочастиц (50нм - О.бмкм).Корреляционная функция интенсивности' рассеянногосвета содержат информацию о размерах - микрочастиц Принципиально важным устройством является коррелятор. Установки такого типа работают в режиме регистрации отдельных фотонов, и коррелятор должен вычислять корреляционную функцию случайного потока фотоэлектронных импульсов. • Коррелятор состоит из управляющей и вычислительной подсистем.

Управляющая подсистема включает в себя генератор опорных частот, формирователи интервалов времен выборок.дестохастизаторы,предварительные делители числа входных импульсов .мультиплексоры сигналов и генератор тостов.Управляющая подсистема задает параметры вычисляемых коррелограмм,принимает анализируемые импульсы от оптико-аналитического устройства и формирует сигналы задерживаемых и незадерживаемых потоков,формирует межвыборочные импульсы, вырабатывает сигнал разрешения счета для накопителей вычислительно-накопительной подсистемы,осуществляет коммутацию сигналов для переключения коррелятора в режим вычислений коррелограмм с

однобитовым и четырехбитовым квантованием задерживаемого потока и в режимы тестирования каналов накопления.

Вычисление корреляционной функции выполняется в вычислительно-накопительной подсистеме, основные функциональные элементы которой реализованы на больших интегральных схемах(БИС), их описание приведено в п.9..Используя возможность считывания содержимого каналов накопления без прерывания счгта, можно контролировать динамику процессов вычисления коррелограммы и выполнять накопление коррелограмм в памяти управляющей ЭВМ.

Коррелятор выполнен в двух вариантах. В первом варианте коррелятор представляет собой отдельный прибор с собственной системной магистралью и связью с внешней ЭВМ по интерфейсу rs-232.

Во втором варианте коррелятор выполнен на штатах,управляющей и корреляционной .встраиваемых в IBM PC/AT.

Технические характеристики коррелятора .'диапазон времен выборок -от 0,2 мксек до 1сек,емкость каналов накопления - 22 двоичных разряда, число каналов накопления при вычислении . четырехбитовых коррелограмм - 64,число каналов накопления при вычислении однобитовых коррелограмм -256.

II.Статистика входного потока, как правило, пуассоновская или, в общем случае, подчиняется отрицательно-биномиальному распределению.

В реальных приборах возникают отклонения статистики от теоретической, вследствие различных аппаратурных эффектов, -из-за чего бывают пропуски или сгустки (серии "единиц") импульсов. Эти отклонения приводят к дополнительным погрешностям в оценке корреляционной функции - несмотря на большой интервал осреднения, результирующая ошибка не соответствует этому интервалу.Существует . много способов избежать ухудшения статистической погрешности из-за аномальных отклонений.В ts7i предложен аппаратный способ, основанный на так называемой винзоризацш входной случайной величины, позволяющей повысить статистическую устойчивость коррелятора.

Применение статистически устойчивого коррелятора позволит повысить, реальную точность при измерениях корреляционной функции фотонов и, как следствие, повысить достоверность косвенных измерений,проводимых в методе корреляционной спектроскопии.

Третья__глава посвящена обработке экспериментальных данных,в

основном, изображений.

I.Адаптивный сбор данных в физическом эксперименте. В системах автоматизации аналитических приборов большие объемы экспериментальных данных преобразуются в цифровую форму м накашиваются в компьютерной памяти.Эта процедура -особенно длинная и сложная в установках,которые включают в себя различные сканирующие преобразователи(иногда электромеханические). и где собранная информация представляется в ввде функции многих переменных.Последовательный способ измерений ограничивает возможное время эксперимента,потому что исследуемые объекты проявляют нестационарные свойства, вследствие влияния некоторых внешних факторов- давления, влажности,температуры и т.д. Иногда исследуемые объекты разрушаются при длительном зондирующем воздействии,например,в импульсной люминесцентной спектроскопии.Такие ограничения особенно важны при исследовании биологических и химических структур.При преобразовании в цифровую форму многомерных сигналов от аналитических приборов объемы данных часто слишком велики для хранения в имеющихся. в распоряжении экспериментатора запоминающих устройствах.

Принимая во внимание приведенные выше соображения, становится ясно,что традиционный метод последовательных измерений с постоянным шагом дискретизации не эффективен.Структурные и дафферэнвдаль^ ные свойства многомерных сигналов в аналитических приборах существенно неоднородны,и проблема состоит в том, чтобы получить "многомерный образ" исследуемого объекта при наилучшей возможной точности и минимальном количестве точек отсчета.

Пусть многомерный входной сигнал г(х) представлен дискретными отсчетами внутри п-мерного интервала с5,В):

где к - множество вещественных чисел,м - мяогэстэо натуральных

х=(х^..),

а= >л2' * " "ап ^ •

. ' й=(ьрь2»*. .ьп),

Х1 »а1 «ь1*

п « Ы,

чисел.Прямоугольное множество а « х « В обозначим символом в. Введем разбиение дм=(лы1,дм2,...дип),гдэ ы=(м1,ы2,..,ып) и ды1:а1=х1 1<ч1 2<...<х1 ы=ь1 -разбиение по каждой 1-й переменной, сетка отсчетов.По данным измерений у^=г...ы^ необходимо с наилучшей точностью восстановить у=г (х),т.е. провести интерполяцию.

Погрешность интерполяции зависит ог модуля непрерывности восстанавливаемой функции г(х) Однако,если функция существенно неоднородна,т.э. в интервале!а,ы имеются "всплески" производных вир гСрЭ,то это влияет на общую погрешность интерполяции.Таким образом,задача состоит в уменьшении зависимости локальной погрешности ^схэ от структурных особенностей функции г (хэ во всех хеса.ы.равно как и в сокращении общего числа отсчетов.Для решения втой задачи использован способ адаптивной кусочно-многочленной интерполяции,при которой весь диапазон измерений в процессе регистрации итеративно делится на несколько областей с различной "изрэзанностью" и своими сетками отсчетов .более частыми в областях с высокой изразанностыо и разреженными на участках с малыш изменениями восстанавливаемой функции.Таким образом, сетки отсчетов адаптируется к структуре функции «хэ.В качестве исходных функций для кусочно-многочленной интерполяции выбраны сплайн-функции,обладающие хорошими аппроксимирующими свойствами и достаточно просто вычисляемые .Наиболее приемлемыми для решения поставленной задачи представляются кубические сплайны г(хэ. Оценки погрешности интерполяции с равномерным шагом ь кубическими сплайнами для функций из пространства с^рЭсвэ (непрерывных до производных порядка р и заданных в узлах п>1ь. 1=0,1... п. т=0;-1;-г;. .):

к, +к_. . .к 12 г1

„^_ |5СхЭ-ГСхЭ

1 к1 кг ах. ах^ ..о

_ ЫхЭ

п I- .

^ <ЬР к ВСрЭ вир шах

2 х1- хп ч1+ " ч«-"р

Р О т

**г~--вп" ~ .....

»Ч*кг+--кгГк,к<р (13)

Константа вер) зависит только от р.Это обнчнйя для формул, оценивающих порядок сходимости интерполяции .связь с шагом сетка

отсчетов и дифференциальными свойствами приближаемой функции.Для построения оптимальной сетки,т.е. минимизирующей количество узлов при заданной точности, необходимо зиять ^г/л* .Однако, в реальных экспериментах ато невозможно.Поэтому предлагается итеративная процедура,позволяющая приблизиться к оптимальной свткэ. Измерения обычно производятся с некоторой случайной ошибкой к,

т.е. у^^ 'г(xi.j3+<4,j J»!...^, ¡^^ - случайные

величины с нулевым средним и дисперсией с® .Поэтому процедура интерполяции должна бить заманена на. сглаживание экспериментальных данных путем подбора такой аппроксимирующей функции (кубического сплайна),гладкость которой была бы компромиссом между стремлением восстановить наиболее подробно структурные особенности неизвестной функции и влиянием ошибок измерений.В случав сплайн-аппроксимации задача сглаживания формулируется следующим образом.Необходимо найти такой кубический сплайн s(x),npn котором достигается минимум функционала

n[c5cxJi" v-scxvv] +"JCS3},(I4)

n. и

f " ■41 •-I

J-о • J=0

где о <р < 1,о<а<1.Веса р, учитывают неравноточность изко-

■Ч- • -Зп

рений.Вспомогательный параметр а определяет влияние сглажавапцето функционала J(г) (формула(14)) и подбирается итеративно таким образом,чтобы уменьшить невязку ра до уровня средней интенсивности ошибок измерений,где величина невязки

г N .2 ^ЛУЪ

11-

Величина ра сравнивается с порогом с .который определяется слодумцим образом:

Ы , (Ю)

где 1-7) - поданный уровень надежности (доверитвльнвя

вероятность).Уменьшение <* при последовательных итерациях производится до выполнения условия Ра<£.

В диссертации рассмотрен алгоритм построения неравномерной сетки отсчетов,адаптированной к дифференциальным свойствам измеряемой функциональной зависимости.

С целью оценки эффективности предложенного метода было проведено численное моделирование на ЭВМ.В качестве аппроксимации кодолышх сигналов использовались функции в виде суперпозиции кривых лоренцэвой формы с различной шириной и степетью перекрытия, имитирующие двумерные структуры с различной степенью изменчивости на различных участках:

м д

ГСх.гэД"-1—-- + ?Сх,2Э (17)

Случайные числа < добавляются для проверки устойчивости алгоритма и представляют собой случайные величины с нормальным распределением с О,о-] .Результаты восстановления функции в соответствии с предложенным выше алгоритмом приведены на рис.11. На рисунке показаны последовательно исходные "неизвестные" зашумлэнные сигналы, последовательные итерации восстановления с адаптивной дискретизацией и сглаживанием и результирующая сетка отсчетов.На этой сетке хорошо видны участки ,пшг которых соответствует степени локальной изрезанности исследуемой функции.Рисунок показывает хорошее качество восстановления и значительный выигрыш в общем количестве точек отсчета по сравнению с максимально допустимым,когда шаг единой сетки равен минимальному .

2.Восстановление радиоизображэний при наблюдении с кольцевой апертурой.

I.Разнообразие типов радиотелескопов .применяемых для наблюдения за объектами космического радиоизлучения,приводит к тому,что способ построения радиоизображения тесно связан с конструкцией конкретного радиотелескопа.Радиотелескоп РАТАН-600 представляет

РИС ЛI

собой кольцевую агортуру с диаметром раскрыва о=588м.Для идеального бесконечно-тонкого кольца диаграмма направленности дается формулой (х-дашна волны,в - угловая координата):

г

Асеэ = -^Т63 . (18)

Двумерное распределение яркоствой температуры источника т сх.уэ сглаживается диаграммой направленности радиотелескопа лсх.уэ, этот сглаженный сигнал искажается аддитивным шумом тм. Начальной стадией обработки обычно является низкочастотная фильтрация с амплитудной частотной характеристикой прямоуголььой формы с отсечкой на частоте и - граничной пространственной частоте антенны.При такой фильтрации все пространственные гармоники проходят с одинаковым весом и исключается шумовая компонента за пределами и . Дальнейшая обработка состоит в преобразовании . наблюдательных данных

туСж,уЭ= ДСх.у5*ТСх,уЭ+ТмСх.уЗ (19)

* - операция свертки, с целью извлечь наблюдательную информацию о тз.Ири использовании критерия минимума среднеквадратичной опгобкч для помехи с нормальным распределением вероятности обработка заключается в линейной фильтрации смеси сигнала и шума фильтром с передаточной характеристикой :

А ф

К™ = з^--(20)

0ПГ |А

где Ф3(и.V} -энергетический пространственный спектр источника. Для реализации члгоритма(20) надо знать АСх.уэ и асч.уэ -

диаграмму и ее спектр.Б случав УАТАН-600 в зенитном режиме при расчете а и а необходимо учитывать следующие аффедта:

а)конэчная ширина кольца (высота отражающих элементов),

б)ненулэвэя ширина полосы шумовых сигналов,

в)конечная высота вторичного зеркала.

Формула (18) для диаграммы направленности справедлива для бесконечно топкого кольца.При обработке надо иметь более точные формулы для Асе5 и асиэ.учитывающие конечную ширину кольца ь= Нсбзр, где н - высота элементов (Н=7,4 м ,р=45° ).Нормированная диаграмма по мощности в этом случае вычисляется по формуле:

А0С£>Н -

2Л1С прОв/\Э

НМЛ

слСЮ/к

(21)

гдэ - функция Босселя.

В сэ1] приводится аналитическое выражение для А0сиэ для кольца конечной ширины с равномерным облучением по вертикали.Ввиду его громоздкости ,оьо здесь не приводится, а на рис. 12 показан этот спектр,кривая I, дли о=^Б88 м,ь=5,23 м.

.Формула (23) и формула,по которой построен

споктр на рис.12,кривая I, соответствуют приему монохроматического сигнала.Реальные радиоастрономичоскга приемники пумових сигналов обычно Н'оют широту полосы приема от нескольких килогерц (спшст-ральнкэ наблюдения) до сотен и тысяч иогагерц (радиометру сплооийго сшктра). Сто тральная характеристика антенны с учетом полосы показана на рис.IЗвериные 2,3 для 5Ж- н 1СЛ- гсфины пошей.

I

Вида пространственного спектра кольцевой антенны показывает,что ' основная часть пространственного спектра источника сильно подавляется,причем, чем уже полоса приема( или меньше ширина кольца), тем сильнее этот эффект.Применение фильтрации в соответствии с алгоритмом (20) выравнивает веса пространственных гармоник с учетом отношения сигнал/шум, и это выравнивание делается так,чтобы минимизировать среднеквадратичную ошибку восстановления |1В - т |2 -» «йп. Применение адаптивного алгоритма позво.ляет приблизиться к эффективности, получаемой :-ри оптимальной обработке.

Обрабатывались наблюдательные материалы, полученные на радиотелескопе РАТАН-600 с целью построения радаоизображении объекта

Судпиз А.

На рис. 13а показаны изофоты так называемого "грязного"изображения источника. Обработка проводилась с помощью расчетной диаграммы направленности с учетом реальных "дыр" в апертуре' - не все 895 отражающих элементов главной поверхности были выставлены, т.е. принимали участие в формировании синфазного раскрыва. Применялся адаптивный вариант алгоритма (20),т.е. адаптивная . винэровская фильтрация:пронрдура восстановления представляет собой последовательность итераций, в процессе которых получаются оцэнки к-я итерации сигнальной функции ^ -

т^-я"1

тст >

а

А (ГСОСТ |

| а |2| р<1хт^-"5> |£+фы

(22)

где г . г-1 с 1 - 'прямое и обратное фурьа-преобразование,о( ) -ошратор ограничении в' пространстве сигнала (положительность, конечная протяженность), Фы - спектральная плотность аддитивных шумов,которая полагается известной.Адаптация применена дяя последовательной оценки спектральной плотности сигнальной функции тв.Итерации прекращаются,когда квадратичная норма

I т^*3- гк"п(2 становится сравнима с уровнем шума. На рис.136 показан результат восстановления - "чистая" карта источника.

З^Еосстановлеше_ра^ сканировании.Флуктуации теплового радиоизлучения тропосферы являится существенной помехой в коротковолновой части радиоастрономического диапазона,особенно в связи с внедрением сверхмалошумящих прэдусилителей.Особенность такого рода шума состоит в форме его временного спектра:спектральная плотность велика в области низких частот и падает с ростом частоты и по степенному закону и_а,гдэ « = 2-3.Таким образом,чем протяженнее наблюдаемый радиоисточнкк, там больше влияние шума тропосферы,Для борьбы с такой помехой давно применяется метод диаграммного сканирования,особенно эффективный при наблюдениях на больших радиотелескопах, когда излучающие слои тропосферы находятся в ближней зоне антенны.Сканирование практически полностью устраняет тропосферную помеху, но при этом искажает форму радиоисточника на выходе приемника.С точки зрения пространственной фильтрации в режиме сканирования имеется дополнительный блок -задержка на величину д и вычитающее устройство.Коэффициент передачи такого блока

в - 1-е-1апиА (23)

Необходимо отметить,что,по существу.воздействие блока на сигнал тз и тропосферный шум тдтн различЕо:из-за того,что сигнал находится в дальней зоне, а тропосфера в ближней зоне антенны.Корректирующий фильтр для восстановления сигналов при наблюдениях со сканированием:

САВЭ*Р (24)

I/---5-

где а и в - пространственные частотные характеристики антенны и устройства диаграммного, сканирования,гд и ^ - пространственные спектральные плотности сигнала и шумов приемника.

При восстановлении фильтром (24Необходимо знать спектральную плотность сигнала г , которая в реальных условиях не известна. Спектральная плотность шума обычно известна благодаря измерениям,проведенным при калибровке.Для преодоления неопределенности, связанной с гезнанием ^применялась та же адаптивная методика, что и в п.2.Обычно после 4 -5 "проходов" итеративный процесс можно

останавливать.дальнейшее улучшение практически не происходит. На рис.14 показан результат обработки реального источника «да при наблюдениях на радиотелескопе РАТАН-600.

W *i 9

Рис. I¡>

4^Восстаноыение Векомпозиуия. Развитие техники пико-- и фемтосокундных лазеров обеспечило возможность измерений сверхкоротких времен релаксации молекулярных структур при воздействии на них мощных импульсов лазерного возбуждения.Вид кривой релаксации при этом представляет собой моно- или полиэкепоненциалькую функцию,свернутую с импульсом лазерного зондирования.

Таким образом, для корректной интерпретации результатов релаксационных измерений при импульсном лазерном возбуждении исследуемой среды необходимо решить две задачи:наилучшим образом восстановить истинную форму кривой затухания на фоне шумов о учетом знания формы лазерного импульса,т.е. решить обратную задачу свертки при близости параметров лазерного импульса и истинной кривой, и разделить полученную полиэкспоненциальную кривую на индивидуальные экспоненты.

Вторая задача ойработки результатов релаксационных измерения заключается в определении числа и параметров экспонент,формирующие анализируемую кривую, оцениваемую .как

р

^Г ьт е-0»1 (25)

т—1

т.е.необходимо найти оценки величин Ьто и ат. т » 1. .. р.которые при подстановке в (25) наилучшим образом отображает полиэкспоненциальную кривую в выбранном диапазоне измерений. Решение уравнения свертки проводилось методом, аналогичным тому, который применялся в п.2 и п.3.,т.е. с помощью адгтгивного варианта винеровскоя фильтрации.Отличие состоит в том,что получение массива экспериментальных данных представляется как повторяющийся акт измерений, в результате каждого из которых появляется ,]-я реализация где шум ^ - с нормальным распределением

с нулевым средним и дисперсией ^.Обычно считается,что чем

больше проведено измерения,тем точнее усредненные по ним данные.Однако в реальных условиях из-за нестабильности условий эксперимента(энергии лазерных импульсов.деструкции исследуемого вещества.его температуры, влажности и т.д.) число повторяющихся измерений ограничено.Поэтому уместно решить вопрос о том, целесообразно ли усреднять результаты измерения реализаций с последующей обработкой оптимальным(в смысле минимума среднеквадратичного отклонения) фильтром.

В другом варианте можно сначала обработать каждую реализацию "" у^о.а затем усреднить частные оценки.Показано,что

второй способ усреднения дает меньшую результирующую ошибку. Для проверки эффективности предложенного метода нахождения истинной кривой релаксации и опенки скорости сходимости итераций, проведено численное моделирование на ЭВМ.В качестве сигнала формировались функции:

хСО=а^е~ах1'''г с хг - распределение) (28)

В качестве аппаратной функции принята функция того же вида с параметром он. _

Формировалась сверпса аппаратной функции с сигналом,на которую накладывались шумы в виде случайных чисел,распределенных по нормальному закону с О,»2].Полученная модельная функция

Рис IS

далее обрабатывалась в соответствии с описанным выше алгоритмом адаптивного восстановления кривой релаксации. На рис.15 приведены семейства кривых, характеризующих эффективность восстановления при различных соотношениях между полуширинами аппаратной функции и восстанавливаемого сигнала лх по уровню 0,5 от максимума.Оценки приведены для сигналов вида(26)при а^ = 0,е;ан=1.25;1.1 ;0.Q;0.e;C\3S;Ax=AM-0.7S. Уровень шума о- является параметром для каждой сависимости.Очевидно, что погрешность восстановления увеличивается с ростом отношения лн^х .однако даже при четырехкратном превышении полуширины аппаратной функции над полушириной восстанавливаемой кривей она незначительно превышает уровень шумов.Это указывает на эффективность метода и на его устойчивость.

Рис.16 иллюстрирует возможности адаптивной методики восстановления формы модели сложного электронно-колебательного спектра,ширины индивидуальных полос которого значительно меньше инструментального контура спектрального прибора.

Определение__параметре в__экспонент.В данной

работе предложена адаптивная модификация метода Прони,обеспечивающая устойчивое определение числа и параметров экспонент полиэкспоненциальной кривой в присутствии аддитивного шума.

Проведенное численное моделирование на ЭВМ показало,что существенное влияние на точность оценок ь„ и а оказывает количоство

nt m

отсчетов n и интервалов дискретизации at. Это влияние тем сильнее,чем больше разница в коэффициентах затухания затухания » .т.о. чем шире релаксационный сшктр.П то ш

X

Рис«

время число экспонент(порядок модели р) априори также неизвестно. Поэтому естественным представляется оптимизация указанных параметров по минимуму невязки си.лъ.рз.

Дяя оценки точности предложенного метода и границ его применения было проведено моделирование:

в качества исходной модели принимались зависимости вида (25 ) при р=1 - 4, на которые накладывался аддитивный шум с нормальным распределением со.о-2] .Точность метода оценивалась по относительной погрешности восстановления числа амплитуд ьт и пок?зателэй экспонент ат. Результаты моделирования,приведенные в диссертации, показывают устойчивость метода и позволяют оценивать его потенциальные возможности.

Рассмотренный метод был успешно применен на экспериментальных данных - автокорреляционных функциях рассеянного излучения,полученного на лазерном корреляционном анализаторе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе предложены и исследованы новые методы и устройства, обработки сигналов,которые нашли применение в системах автоматизации научных исследования.Основные полученные результаты: 1.В целях повышения информативности одного из крупнейших в мире радиотелескопа РАТАН-600 проанализированы преобразования сигналов в приэмноусилительной, низкочастотной и регистрирующей системах. В рамках проведанного анализа исследована флуктуационная чувствительность радиоастрономических приемников и предложена говая схема адаптивного радиометра с пилот-сигналом, позволившая получить рекордные результаты по чувствительности.

Разработаны проектные основы и создана система сбора данных радиотелескопа, включающая высокоскоростную цифровую линию передачи.Система позволила согласовать высокую интенсивность потока данных с радиотелескопа с возможностью обработки в квазиреальном времени в распределенной системе сбора.

Разработано цифровое выходное-устройство радиометра»повышающее чувствительность радиоастрономических приемников и реализующуее программируемую структуру низкочастотных блоков системы

сбора данных.

Разработан цифровой медианный фильтр»повышающий реальную чувствительность измерений в условиях импульсных помех ,

Разработана методика и аппаратура контроля основной отражающей поверхности РАТАН-6СЮ методом лазерною нивелирования.

2.В целях повышения координатной точности радаоинтерферонэтра со сверхдлшшой базой(РСДБ) проведен анализ первичной обработки сигналов в РСДБ с точки зрения точности измерений задержки и частоты интерференции и влияния флуктуация атмосферы

Предложен новый метод синтеза широкой полосы свертыванием. позволяющий повысить точность координатных измерений и упростить аппаратуру.

З.Для оптимизации структуры многоэлементной глобальной РСДБ-сети с точки зрения точности координатных измерений и качества радиоизображения проведен анализ геометрии сети и систем передачи данных .ойесгочжамщих работу в реальном времени. Результаты анализа вошли в технические предложения проекта 'радиоинтерфэромзтрической сети "Квазар". ■ 4.Создан комплекс корреляционной обработки сигналов типа МК-1 и МНИ для радиоинтерферометра со сверхдлинной базой,на котором проведена обработка наблюдательных данных.

Разработаны комплекты больших интегральных схем (БИС) для корреляторов,которые нашли применение в технике корреляционной обработки РСДБ и фотон-корреляционной спектроскопии.На основе этих БИС разработаны корреляторы для анализа размеров микрочасчиц методом динамического светорассеяния.

Разработана новая статистически устойчивая схема коррелятора частиц, которая повышает точность корреляционных измерения па установках лазерного светорассеяния в условиях "загрязненной статистики" входных шпульсных потоков.

Проведено экспериментальное исследование гибридного огггако-элэктронного коррелятора для РСДБ, показавшее перспективность гибридных оптико-цифровых устройств корреляционной обработки.

б.Разработан метод адаптивной многомерной дискретизации в процессе физического эксперимента.Метод позволяет сократить необходимые аппаратурные ресурсы и.время эксперимента в условия*

априорной неопределенности в десятки и сотни раз. ■ 6.Разработан метод восстановления радиоизображения при диаграммном сканировании и наблюдениях с кольцевой апертурой. Метод позволяет работать в режиме сканирования с исключением флуктуация радиоизлучения тропосферы и не терять пространственной информации об объектах.Обработка изображения при работе с кольцевой апертурой может быть применена не только в радиоастрономии, но и в других областях - оптике, гидроакустике.

7.Разработан метод обобщенной спектральной декомпозиции при анализе данных в импульсной лазерной флуориметрии. Метод позволяет скорректировать форму импульсов релаксации и адаптивно, в зависимости от уровня шумов и сложности суперпозиции компонент, разделять релаксационную кривую на экспоненты.Метод проверен на реальных экспериментальных данных и применим во многих областях релаксационного анализа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Фрвдман П. А.Рекуррентные алгоритмы восстановления радиоастрономического изображения.//Сообщения CAO АН СССР.-1972.-вып.6.-с.19-28. г. Корольков Д.В.,Фридман П.А.Пропускная способность радиотелескопа в отношении пространственной иьформации//Астрофизиче ские исследования .-1970.-Т.2.-с.148-155. . э. Фридман П.А.Устройство передачи данных для связи ЭВМ с экспериментальной установкой.//Приборы и техника эксперимента.-1975.-п.4.-с.54-56. 4. Готлиб Б.А..Фридман П.А.Коррелятор.//Авт.свид.1621044,опубл.в

БИ.-1991.-п.2.-с.163. з. Фридман П.А.Цифровой медианный фильтр.//Положительное решение

на заявку 4828474/24,1991. е. Фридман П.А.О координатной точности многочастотного радиоинтер-

ферометра.//Радиофизика, Изв.ВУЗов.-1977.-п.6.гс. 848-852. 7. Дравских А.Ф..Стоцкий A.A..Финкелыптейн A.M..Фридман П.А.Тропосферные ограничения на точность радиоинтерферомотрических координатных измерений при помощи частоты интерференции.// Радиотехника и электроника.-1977.-п.II.-с.2305-2311.

е. Дравских А.Ф..Стоцкий A.A.,Финкельштейн A.M.,Фридман П.А.Тропо-сферные ограничения на точность фазовьп измерения координат в астрометрии.//Астрофизические исследования.-1978.-п.10. -c.I08-II9.

Q. Губанов B.C.Дмарбаева Н.Д..Фридман П.А.,Ягудин Л.И.

О наблюдении космических радиомаяков методом РСДБ.//Космические исследования.-1980.-п.4.-с.632-642.

10. Левина М.Д..Резников С.В.,Фридман П.А.Цифровой знаковый коррелятор. //Астрофизические исследования.-1982.-п.16.-с.93-99.

11. Гольнев В.Я..Корольков Д.В..Фридман П.А.Адаптивный радиометр с пилот-сигналом.//Астрофизические исследования.-

1980.-п.13.-с.52-61.

ja. Алексеев В.А..Брауде С.Я..Брумберг В.А..Буланке Ю.Д..Гатэлюк Э.Д..Гельфрейх Г.Б..Губанов B.C..Дравских А.Ф..Есепкина H.A..Кардашев Н.С..Корольков Д.В..Котов Б.А..Котов Ю.А..Красин ский Г.А..Манукин А.Б..Матвеенко Л.И.,Мень А.В.,Никонов В.Н., Парийский H.H..Парияский Ю.Н..Погребенко C.B..Попов Е.И..Разин В.А. .Саломонович А.Е. .Сльпи В.И. .Смоленцев С.Г. .Сороченко Р.Л., Станкевич К.С..Стоцкий A.A..Троицкий B.C..Умарбаева Н.Д., Финкелыптеян A.M..Фридман П.А.ДерсонскийВ.К..Царевский Г.С.. Цейтлин В.А..Цымбал В.А..Яцкив Я.С. Проект "Полигам". //Сообщения CAO АН СССР.-1980.-вып.27.-с.1-30.

13. Алексеев В.А.....Фрвдман П.А......Яцкив Я.С.Проект "Полигам"//

Сообщения CAO АН СССР.-1980.-вып.28.-с.Г-56.

14. Алексеев В.А____Фридман П.А....Яцкив Я.С.Проект "Полигам"//

Сообщения CAO АН СССР.-1980.-вып.29.-с.1-48.

is. Алексеев В.А....Фридман П.А....Яцкив Я.С.Проект "Полигам"// Сообщения CAO АН СССР.-1980.-вып.30.-с.1-42.

ie. Алексеев В.А... .Фридман П. А____Яцкив Я. С.Всесоюзный проект

"Полигам".//Информационный бюллетень Астросовета АН СССР.-1978» -П.I.-с.6-9.

17. Городецкий В.М..Дравских А.Ф-.Фридман П.А.О синтезе широкой полосы в PCДБ.//Радиофизика,Изв.ВУЗов.-I981.-п.в.-с.655-665.

la Дравскга А.Ф. .Корольков Д.В.'.Парийскиа D.H., Стоцкия А.А.,Фип-кельпггойн A.M..Фридман П.А.Глобальные фазостабильныэ рэдиоинтврфэромэтричэскиэ систомн.//Успехи фи-'.кчясюос

наук.-1981.-т.135,вып.4.-с.587-636. is. Дравских А.Ф..Кошелева О.М. .Финкелыттейн A.M.,Фридаан П. А.

Возможность применения метода опорного объекта при формировании фазостабильной многоэлементной радиоинтерферометрической системы с большими базами.//Астрофизические исследования.-1982.-п.16.-с.83-92. го. Фридман П.А.Отношение сигнала к шуму в РСДБ.//Астрофизические

исследования. -1982. -г.. 16. -с. 95-101. 21. Губанов B.C..Финкелыптейн A.M..Фридаан II.А.Введение в радио-

астрометрию.-М. :Наука,1983,280с. гг. Бычка В.Л. .Фридман П.А.,Чигарев В.И.Технические) предложения

по проекту "Квазар",1981. зэ. Научно-технические предложения по созданию радиоинтерферомет-

ричесного комплекса "Квазар-КВО",1985. 24. Фридман П.А.Первичная обработка в РСДБ//

Радиофизика,Изв.ВУЗов.-1983.-n.ll.-c.1487-1493. зз. Губанов B.C..Умарбаева Н.Д..Фридман п.A.Radio lnterferometry

of cosmic appaf-atus. ✓'/'Bulletin CSTG. -1983 , -Dec. n. 4. -p. 231 -338.

го. Есепкина Н.А.Зверев Ю. К., Иоффе с.А..Лавров А.П. .Фридман П.А., Чуканов 0.Б..Лазерный нивелир для юстировки поверхности радиотелескопов.//Приборы и техника эксперимента.-1984. -п. 2. -с.175.

37. Есепкина . H.A..Лавров А.П. .Зверев Ю.К. .Фрвдман П.А.,

Чуканов О.В..Иоффе С.А.Испытания макета лазерного нивелира. //Геодезия и аэрофотосъемка,Изв.ВУЗов.-1984.-п.i .-c.IQI-ICT/. 28. Есепкина H.A..Зверев Ю.К.,Лавров А.П..Фридман П.А..Чуканов О.В.Лазерный нивелир для юстировки РАТАН-600.//Астрофизические исследования.-1985.-т.20.-с.I3I-I38. га. Умарбаева Н.Д..Фридман П. А.Оцэнка точности РСДБ-наблюдений . ИСЗ-радиомаяков.//Наблюдения искусственных спутников Земли.-1962.-п.21.-с.681-668.

30. Есепкина H.A..Лавров А.П..Прусс-Иуковский С,В.,Фридман П.А., Ананьев М.Н.Исследование возможностей акустоопгических корреляторов для радиоастрономии //Астрофизические исследования.-1986.-т.21.-с.i05-ii2.

31. Фридаан П.А.Обработка радиоастрономических сигналов на РАТАП-

5f

600 в режиме кольцевой апертуры.//Препринт CAO АН СССР.-1385.-п.21Л.

за. Бабушкина 0.В.,Фридман П.А.Моделирование наблюдений на РАТАН-600 в режиме кольцевой апертуры.//Препринт CAO АН СССР.-1985.-п.22Л.

33. Фридман П.А.Фильтрация радиоастрономического сигнала на фоне флуктуация атмосферы.//Препринт ОАО АН СССР.-1986.-п.ЗЫ.

34. Губанов B.C..Зимовский В.Ф..Ратнер А.Н..Умарбаева Н.Д. .Фридман П.А..Бабушкина C.B..Брумберг Е.В.,Буланов С.Н..Колодин Ю.Н..Коренной,И.Е..Сафонов В.А..Ступин В.А.Экспериментальные РСДБ наблюдения ИСЗ-стационара на базе Пулково-Симеиз// //Астрономический циркуляр.-1986.-февр.n.1425.-с.3-5.

зз. Дианов С.Г..Мельцин А.Л.,Фридман П.А.Адаптивный съем измерительной информации в импульсной спектрометрии.//Научное приборостроение.-1989.-с.77-85.

зв. Дианов С.Г.,Мельцин А.Л..Фридман П.А.Адаптивная дискретизация спектров в лазерной импульсной спектроскопии.//Журнал прикладной спектроскопии.-1989.-т.51.п.6.-с.973-980.

37. Дианов С.Г..Мельцин А.Л.,Попова Л.П., Фридман П.А.Метод

восстановления истинных кривых релаксации и их полиэкспоненциальная декомпозиция в импульсной лазерной спектроскопии// Препринт ИАП АН СССР.-1980.-п.31.

зв. Дианов С.Г.,Мельцин А.Л..Попова Л.П. .Фридман П.А.Мотод

адаптивного восстановления релаксационных кривых с определением параметров входящих в них экспонент.//Журнал прикладной спектроскопии.-1991.- т.54,п.2.-с.298-305.

за. Готлиб В.А..Фридман П.А.Исследование методов динамического лазерного светорассеяния и разработка принципов построения аппаратуры для анализа молекулярных и надмолекулярных структур. Отчет ИАП АН СССР. -1989.-n.roc.per.01860083741.

40. Манойлов В.В. .Ланин Е.В. .Стародубцев Н.А.-,Фридман П.А. Исследование архитектуры,аппаратного и программного обеспечения систем автоматизации аналитических приборов в базисе интегральной и гибридной техники.Отчет ИАП АН СССР.-

1990. -г.. roc. per. 01880030647.

41. Постоенко Ю.К..Сковородин И.Н..Фридман П.А.Система сбора данных

радиотелескопа РАТАН-600.//Тезисы1Г-й Всесоюзной радиоастро-' номической конференции по аппаратуре,антеннам и методам,Ереван.-1978.-с.70-72.

лг. Есепкина H.A..Зверев Ю.К.,Котов Б.А..Лавров А.П..Фридман П.А., Чуканов 0.В.Лазерный нивелир для юстировки радиотелескопов. //Тезисы 14-й Всесоюзной конференции"Радиоастрономическая аппаратура, антенны и методы",Ереван.-1982.-с.257-258.

<13. Есепкина H.A. .Лавров А.П. .Прусс-Куковский C.B. .Фридман П.А. Опгико-цифровые корреляторы для обработки сиггзлов радиоинтер-ферометров//Тезисы 14-й Всесоюзной конфвренции"Радиоастрономи-ческзя аппаратура,антенны и методы",Ереван.-1982.-с.436-437.

44. Булаенко Е.В..Фридман П.А.Цифровое выходное устройство радиометра. //Тезисы 17-й Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура".Ереван.-1985.-с.21-22.

45. Арзуманян Ю.В..Быков В.Л..Гуревич И.В..Окунев Ю.Б.,Фридман П.А.Аппаратура передачи данных РСДБ через геостационарный спутник.//Тезисы 17-й Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура".Ереван.-1985.-с.55-56.

4в. Ланин Е.В..Лешенко Д.Н..Смирнов В.А..Фридман П.А.Специализированные БИС для коррелятора РСДБ.//Тезисы 17-й Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура", Ереван.-1985.-с.71-72.

47. Фридман П. А.Восстановление радиоизображения при диаграммном сканировании.//Тезисы Iö-я радиоастрономической конференции, Иркутск.-1986.-с. 157-158.

4в. Дианов С.Г. .Мельцин А.Л. .Фридман П.А.Адаптивный выбор сетки дискретизации отсчетов при регистрации спектров биологических структур.//Тезисы конфоренцш"люминесцэнтяьш анализ в медицине и биологии".Рига.-1988.-с.81.

40. Дианов С.Г.,Мельцин А.Л.,Фридман П.А.Адаптивная обработка кривых затухания флуоресценции в импульсной спектроскопии// Тезисы Всесоюзного совещания по молекулярной люминесценции, Караганда.-1989.-с.178.

so. Дианов С.Г. .Мельцин А.Л.,Фрвдман П.А.Адаптивная дискретизация ¿¡Игнатов неизвестной формы.//Тезисы Всесоюзной конференции "Метода и микроэлектронные средства цифрового преобразования и

обработки сигналов",Рига.-1989.-т.I•-с.103-105.

81. Ланин Е.В..Лвшенко Д.Н..Смирнов В.А..Фридаан П.А.Комплект БИО знакового коррелятора.//Тезисы Всесоюзной конференции"методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов",Рига.-1989.-т.2.-с.206-207.

53. Ланин Е.В..Лешенко Д.Н..Смирнов В.А..Фридман П.А.т^в set of

ASIC's for random signal correlator. ✓vLatvian signal processing international conference, "v

Riga.-lS90.-v. 1 .-p. 22B-230.

53. ФрИДМаН П.A.The adaptive sampling of multidimensional signals in physical experiments. //Latvian signal processing international conference,Riga .-1890.-v. 2.-p. 169-172.

54. Тузенко С.В.,Фридман П.A.The polarity correlator ASIC's and boards.x/Electronl с Instrumentation in Physics,Dubna,-1991.— p. 183-167.

55. Забелина 0,B. .Манойлов В.В. .Стародубцев Н.А. .Фридаан П.А. Устройства модульных систем автоматизации научных приборов в виде гибридных и интегральных микросхем.//&-й Международный Симпозиум по проблемам модульных информационно-вычислительных систем и сетей.Дубна.-1991.-с.64.

56. Фридман П.А.Восстановление радиоизображения при наблюдении с кольцевой апертурой.//I Всесоюзная конференция "Распознавание образов и анализ изображений",Минск.-1991.-часть 11.-С.Г64-Г67,

ФАП 3.721 т.100 24.12.82 Бесплатно