Исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70

В последнее время интенсивность исследований и разработок, направленных на создание различных радиотехнических устройств диапазона 30 — 300 ГГц, постоянно возрастает, а области их применения расширяются. Использование этого диапазона, занимающего промежуток между достаточно хорошо освоенными сантиметровым и оптическими диапазонами, в радиосистемах и радиоастрономии позволяет в ряде случаев найти компромиссное решение, в большей степени отвечающее требованиям конкретных задач. Расширение области применения диапазона миллиметровых длин волн (ММДВ) обусловлено тремя факторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения в атмосфере, малой длиной волны.

Протяженность спектра миллиметровых волн составляет 270 ГГц. Однако часть этой полосы непригодна для использований устройствами, работающими в атмосфере Земли, ввиду наличия полос интенсивного поглощения радиоволн за счет молекулярных резонансов в кислороде и парах воды. Однако в «окнах прозрачности» атмосферы, расположенных между линиямипоглощения, погонное затухание является, умеренным. Минимумы поглощения наблюдаются на частотах 35, 94, 140 и 220 ГГц {длины волы 8, 6, 3,2, 2,2 и 1,4 мм соответственно), При этом ширина соответствующих «окон прозрачности» оценивается как 16,23,26 и 70 ГГц.

Использование ММДВ в различных радиосистемах обеспечивает практическое отсутствие ограничений на полосу частот и дает им следующие преимущества:

1) возможность одновременной работы большого числа радиосистем без взаимных помех;

2) возможность перестройки РЛС в широком диапазоне частот в целях борьбы с помехами, отстройки от интерференционных минимумов в условиях многолучевого распространения (например, при сопровождении низколетящих КА), электронного сканирования лучом антенны;

3) возможность использования широкополосных сигналов для передачи больших потоков информации с высокой скоростью, борьбы с замираниями за счет интерференции;

4} высокое разрешение по дальности при использовании коротко-импульсных или широкополосных зондирующих сигналов, обеспечивающее раздельное обнаружение близких целей и точное измерение их координат, получение дальностных радиопортретов целей для их идентификации;

5) высокую защищенность от активных помех;

6) возможность использовать широкие полосы для повышения чувствительности радиометров пассивных радиосистем.

Одним из наиболее важных направлений использования ММДВ являются радиоастрономические исследования с помощью радиотелескопов, направленные на решения крупных научных проблем:

— определения фундаментальных закономерностей пространства-времени;

— построения модели расширяющейся Вселенной;

— изучение структуры и динамики астрономических объектов, в том числе в космических источниках со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями, объектах-ускорителях элементарных частиц до сверхвысокой энергии;

— изучение проблем образования, физики и эволюции звезд и галактик, геодинамика и геотектоника;

— координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности.

Особая роль радиоастрономических исследований в миллиметровом диапазоне длин волн связана с тем, что именно в этом диапазоне находится абсолютный минимум яркостной температуры всего спектра электромагнитного космического фонового излучения. Доминирующим в этом диапазоне является реликтовое космологическое излучение. Ввиду этого диапазон является наиболее перспективным для проведения космологических исследований и исследований предельно холодной материи во Вселенной. Миллиметровые волны, как самые короткие в радиодиапазоне, позволяют реализовать самую высокую угловую разрешающую способность, как при использовании отдельных радиотелескопов, так и с помощью радиоинтерферометров. В миллиметровом диапазоне резко уменьшаются эффекты рассеяния и поглощения радиоволн в космической плазме (по сравнению с более длинными волнами), что позволяет исследовать внутреннюю структуру наиболее компактных объектов, изучать их переменность и поляризационные свойства. Наконец, астрономические объекты обладают в миллиметровом диапазоне необычайно богатым набором излучения атомов и молекул в спектральных линиях.

Для информационного обеспечения отмеченных астрономических задач строящийся радиотелескоп РТ-70 будет работать в трех режимах:

— как одиночный инструмент, обладающий многолучевой диаграммой (до 100 лучей одновременно),.

— как основной инструмент наземной сети интерферометров в ЕвроАзиатском районе,.

— как основной инструмент радиоинтерферометров Земля-Космос по программам фундаментальных космических исследований.

Во всех этих режимах РТ-70 в ММДВ может обеспечить наиболее высокую чувствительность и угловое разрешение при проведении наблюдений в непрерывном спектре, спектральных линиях, поляризационных измерениях и изучении быстропеременных процессов.

Таким образом, актуальность и важность создания радиотелескопов и систем радиотелескопов для наблюдения (КИР) ММДВ, в том числе систем их измерительно-информационного обеспечения, не вызывает сомнения.

По-видимому, значительного прогресса в исследовании КИР можно достичь при использовании на больших радиотелескопах, к которым относится и РТ-70, матричных приемников излучения, так как в этом случае мы будем более детально наблюдать источники радиоизлучения, а использование методов цифровой фильтрации в этом случае позволит значительно повысить достоверность их отождествления. Более того, визуализация Галактики в радиодиапазоне будет новым, неиспользовавшимся ранее экспериментальным приемом, который, несомненно, будит способствовать новым открытиям.

Однако для перехода к практическому осуществлению задачи визуализации КИР миллиметрового диапазона необходимо, прежде всего, решить проблему повышения точности наведения больших радиотелескопов ММДВ. Сложность решения указанной проблемы заключается в том, что при наведении зеркальной системы (ЗС) РТ на КИР возникают некомпенсируемые деформации элементов ЗС. Это приводит к искажению распределения электромагнитного поля в зоне приема излучения.

Решение отмеченной проблемы связана с решением следующих сложных информационно-измерительных задач:

— создание систем дистанционного измерения координат и перемещений элементов антенной установки с высокой точностью;

— создание системы задания и поддержание базовых углов азимута и места с высокой точностью;

— создание системы дистанционного измерения расхождения оптических осей отражающих поверхностей зеркальной системы.

Цели и задачи работы. Целью работы является исследование и разработка информационно-измерительных систем, осуществляющих измерение и преобразование в цифровую форму параметров и характеристик РТ и окружающей среды для ввода их в вычислительно-управляющий комплекс (ВУК), вырабатывающий (вычисляющий) управляющие воздействия, обеспечивающие оптимальное или близкое к нему функционирование РТ во всех штатных режимах.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем, а так же зеркальных (антенных), систем приема и регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения и системы наведения и автосопровождения;

— исследование и разработка методов и средств измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы на основе анализа измеряемых параметров и существующих методов измерений;

— исследование и разработка оптико-электронных измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды на основе анализа измерительных задач системы мониторинга и степени влияния параметров окружающей среды на функционирование радиотелескопа;

— разработка инженерных формул и методик для расчетов узлов оптоэлектронных измерительных каналов радиотелескопа, а также оценок их метрологических характеристик;

— компьютерное и физическое моделирование оптико-электронных измерительных каналов смещений элементов конструкции зеркальной системы с целью уточнения их параметров и подтверждения теоретических исследований результатами экспериментов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений.

Выводы по главе 4.

1. Выбор ИКИК и его составных частей является достаточно трудоемкой задачей, так как зависит от многих факторов (входное воздействие, диапазон измерения и т. д.). Ключевым элементом при определении структуры ИКИК является модулятор. Анализ только метрологических характеристик элементов ИКИК не позволяет принять однозначное решение при выборе ИКИК и его составных частей. Требуется анализировать технологические характеристики будущего изготовителя, а в некоторых случаях применять экспертные оценки, исследовать ожидаемую стоимость и трудоемкость изготовления элементов ИКИК.

2. Разработанная методика позволяет определять геометрические размеры оптических звеньев ИКИК.

3. Структура электронной части ИКИК зависит от типа используемого измерительного стандартного интерфейса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате анализа существующих оптико-электронных систем и их составных частей, обобщения известных в настоящее время теоретических и экспериментальных исследований в области проектирования и эксплуатации информационно-измерительных систем с интерференционно-кодовыми каналами, а также проведения теоретических исследований и компьютерного и физического моделирования созданы методы и средства анализа и синтеза оптико-электронных измерительных систем, обеспечивающих высокочувствительные и помехозащищенные измерения и преобразования в цифровую форму параметров радиотелескопа РТ-70 миллиметрового диапазона длин волн и окружающей среды для ввода их в вычислительный управляющий комплекс, вырабатывающий (вычисляющий) управляющие воздействия, обеспечивающие функционирование РТ-70 с максимально возможной чувствительностью и разрешающей способностью.

Практическое использование оптико-электронных систем измерения положения и смещения элементов конструкции РТ-70, а так же параметров окружающей среды позволит резко повысит эффективность использования РТ-70 в миллиметровом диапазоне длин волн за счет коррекции его зеркальной системы по результатам измерений.

Полученные результаты и научные положения, сформулированные в работе и основанные на теоретических исследованиях, подтверждены экспериментальными исследованиями и апробированы.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие научные и практические выводы:

1. Проведен метрологический анализ вариантов методов и структур ОЭИС для измерения линейных и угловых перемещения подвижных осей 03, КР и ЗП зеркальной системы радиотелескопа, в результате которого установлено, что в качестве методов измерения целесообразно использовать так называемые «геометрические методы» как наиболее устойчивые к воздействию внешних факторов, а именно: для измерения угловых величинавтоколлимационный метод, для измерения линейных величин — метод угловой (триангуляционный метод) и линейной засечки.

2. Установлено, что для информационного обеспечения принятия решения о допустимых режимах работы радиотелескопа, осуществляемого оператором или экспертной системой, заменяющей оператора, а также для моделирования поведения металлоконструкций радиотелескопа в режиме реального времени необходим мониторинг состояния окружающей среды.

3. Анализ взаимного влияния, с точки зрения помехозащищенности, системы мониторинга окружающей среды и работающего радиотелескопа показал, что имеются высокие требования по ослаблению взаимовлияния их электромагнитных полей, что обуславливает целесообразность построения интерференционно-кодовых измерительных каналов (ИКИК) системы мониторинга на базе когерентных излучателей, интеференционнно-кодовых преобразователей и волоконно-оптических линий связи, позволяющих резко * увеличить помехозащищенность за счет частотного разделения спектров оптических и миллиметровых электромагнитных полей.

4. Разработан комплекс измерительных процедур для обеспечения универсальности использования ИКИК в ОЭИС радиотелескопа РТ-70, способных обеспечить в зависимости от типов ИКИК:

• погрешность преобразования вводимой физической величины в пределах от 0,2% (число разрядов 8) до 1% (число разрядов 6);

• порог чувствительности по перемещению от 0,1 мкм при использовании интерференционных модуляторов и по напряжению от 10 мкУ при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов;

• диапазон преобразуемых входных воздействий по перемещению от единицы и десятков мкм при использовании интерференционных модуляторов до десятков и сотен мм при использовании растровых модуляторов, а по напряжению от десятков мкУ при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов до сотен кУ при использовании электрооптических дефлекторных модуляторов.

5. Разработаны инженерные формулы и методики для расчетов узлов ОЭИС и ИКИК, а также оценок их метрологических характеристик.

6. Произведена классификация структур ИКИК и его составных частей по входному воздействию, диапазону измерения, метрологическим характеристикам, технологическим особенностям будущего изготовителя и ожидаемой стоимости и трудоемкости, что облегчило создание методик их синтеза.

7. Анализ основной качественной характеристики ИКИК, а именно, погрешностей элементов, выявлено, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители и волоконно-оптические линии связи, инженерные формулы для вычисления которых в работе получены.

8. Компьютерное и физическое моделирование выбранных по точности и помехозащищенности оптико-электронных измерительных систем и каналов подтвердили результаты теоретических исследований.

Отдельные результаты работы внедрены на ряде предприятий и в учебные процессы технических университетов (см. Приложение 1). Исследования по разработке методов анализ и синтеза ОЭИС РТ-70 были включены в проект 2.3.2- 2.3.8 «Исследование и разработка методов и средств повышения эффективности систем управления полноповоротными антеннами радиотелескопов» программы фундаментальных исследований Российской академии наук по разделам «Механика» и «Управление и автоматизация». Исследования по разработке методов анализ и синтеза ИКИК были включены в проект 2.3.8 «Разработка и исследование математических методов и оптико-электронных средств оптимального управления комплексами сложных технических, социально-экономических и организационных человеко-машинных систем в условиях неполной информации и векторности показателей качества» программы фундаментальных исследований Российской академии наук по разделу «Управление и автоматизация».

Дальнейшие перспективы развития данного направления связаны с проведением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на Международной радиоастрономической обсерватории на плато Суффа, предназначенном для проведения фундаментальных и прикладных астрофизических, геофизических и космических исследований, а также для использования в качестве центра дальней космической связи для Российских и международных космических проектов, что предусмотрено проектом Межгосударственной космической программы исследования Земли и космического пространства в мирных целях, разработанной в соответствии с п. 5 Договора о стратегическом партнерстве между Российской Федерацией и Республикой Узбекистан от 16 июня 2004 г. и Договором о союзнических отношений между Российской Федерацией и Республикой Узбекистан от 14 ноября 2005 г.