Аппаратно-программный комплекс и методы исследования стабильности приемных систем радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО»

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, указаны научная новизна и практическая значимость резуль- татов работы, перечислены положения, выносимые на защиту, и публикации, со- держащие основные результаты работы, даны сведения об апробации работы на научных конференциях.
В первой главе рассматриваются влияние стабильности на чувствительность радиометра, основные схемы построения радиометров, методы анализа и измерения стабильности характеристик приемных систем (ПС), структура и компоновка ПС радиотелескопов РТ-32 и РТ-13 комплекса «Квазар-КВО».
ПС совместно с системой регистрации, позволяющей измерить мощность ра- диоизлучения источника, образуют радиометр [1]. Стабильность ПС отражает неиз- менность во времени еѐ характеристик, в качестве количественной оценки стабиль- ности служит нестабильность — изменение характеристик за установленный интер- вал времени (согласно РМГ 29-2013). Использование для анализа стабильности сиг- налов обычно применяемого среднеквадратичного отклонения (СКО) не позволяет различить тип шума или дрейфа сигнала ПС (сигнал ПС можно представить как временной ряд из N отсчетов). Для идентификации типов шумов (флуктуаций), их источников и определения их величины (уровня) эффективно использование дис- персии Аллана σ2A (ДА, Allan variance) [2]. ДА — это дисперсия разностей усред- ненных на временном интервале τ значений ряда данных y, полученного с периодом взятия отсчетов T, τ = n·T, n = 1, 2,…:
σ2 (τ)  1 N 1  y (τ)  y (τ)2 . (1) A 2(N1)j1 j1 j 
Анализ флуктуирующих сигналов с расчетом ДА позволяет также определить интервал стабильности радиометра — оптимальное время накопления τopt его вы- ходного сигнала, при котором достигается минимальный уровень шума. Для шумов с СПМ вида S(f) ∝1/f α ДА описывается степенными функциями σ2A(τ) ∝ τα−1, где τ — интервал усреднения анализируемого ряда. В отличие от СПМ, ДА характеризует также линейные дрейфы сигналов с зависимостью от времени в виде y=pt: σ2A(τ) = p2τ2/2 [2].
Сделан обзор методов измерения выходной мощности, амплитуды и фазы ко- эффициента передачи, шумовой температуры, групповой задержки ПС. Для опреде- ления стабильности измеряемых параметров ПС на протяжении нескольких часов необходима непрерывная регистрация показаний одного или нескольких измери- тельных приборов, что можно достичь только с помощью автоматизации измерений.
Рассмотрены структура и компоновка трех типов ПС радиотелескопов (РТ) комплекса «Квазар-КВО»: S/X ПС РТ-32, трехдиапазонной (S/X/Ka) [A17] и широко- полосной (3–16 ГГц) [A6] ПС новых РТ-13. Приведены основные характеристики каскадов ПС и уровни измеряемых сигналов для оценки требований к аппаратуре измерения их стабильности. Поскольку в диссертации исследуется как вся ПС в це- лом, так и отдельные еѐ каскады (для всех трех типов ПС), существенно меняются уровни измеряемых сигналов (от −60 дБм до 10 дБм) и их рабочие частоты (в диапа- зоне 0.1–34 ГГц), необходима регистрация сигналов как на промежуточных частотах (ПЧ), так и на СВЧ — в полосах частот входных каскадов ПС. Штатные системы ре- гистрации предназначены только для регистрации выходного сигнала ПС на ПЧ в диапазоне 0.1–1 ГГц или 1–2 ГГц. Следовательно, существующих штатных систем регистрации недостаточно для решения поставленных в диссертации задач. Необхо- димо создание методик и аппаратно-программного комплекса, позволяющих прово- дить исследования стабильности ПС с необходимой точностью как в целом, так и еѐ отдельных блоков, как в лабораторных условиях, так и в рабочих условиях — непо- средственно на радиотелескопах.
Сформулированы требования к основным характеристикам аппаратно- программного комплекса для проведения исследований стабильности ПС комплекса «Квазар-КВО».
Требования к точности измерения амплитудной стабильности ПС исходят из достигаемой в радиометрах чувствительности ∆T. Отношение чувствительности ∆T радиометра к шумовой температуре системы радиотелескоп-радиометр Tсист опреде- ляется полосой рабочих частот ∆f, временем усреднения выходного сигнала τ и от- носительной нестабильностью ∆G/G общего коэффициента передачи (КП) G (равно- го произведению КП отдельных каскадов радиометра) [1]:
T 1 G2
T fτG. (2)
 сист 
Для ПС комплекса «Квазар-КВО» типичные значения ∆f = 1 ГГц, τ =0.1 с, тео-
ретически достижимое (в случае ∆G = 0) отношение ∆T/T=10−4. Для оценки влияния амплитудной нестабильности ∆G/G на чувствительность еѐ необходимо измерять с погрешностью, не большей чем 10−4, а относительная погрешность измерителя должна быть лучше 3∙10−5 (при этом вклад погрешности измерителя в измеряемое СКО составит не более 5%).
Требования к точности измерения групповой задержки ПС определяются тре- буемой точностью измерения задержки сигнала радиоинтерферометром. Задачей радиоинтерферометра на базе новых РТ-13 комплекса «Квазар-КВО» является опре- деление поправок всемирного времени с СКО не более 20 мкс. Для этого СКО за- держки корреляционного отклика интерферометра на базе «Бадары»- «Зеленчукская» должно быть не более 20 пс [A4]. Теоретическая погрешность изме- рения задержки радиоинтерферометром σt SNR определяется отношением сигнал-шум SNR и полосой частот ∆f [3]:
SNR 0.88 Fист  2f τ SEFD1 SEFD2
,
, (3) (4)
σt SNR = 12
2π Δf SNR
где Fист — поток источника, SEFDi — эквивалентная плотность потока РТ, τ — вре- мя накопления, 0.88 — коэффициент потерь от двухбитового квантования сигналов. Среднее значение SNR на выходе коррелятора по результатам наблюдений источни- ков на РТ-13 составляет около 100, тогда στ SNR = 10 пс. Реальная погрешность опре- деления задержки σt зависит от нестабильности аппаратных задержек интерферо- метра σt aп i (двух ПС σt пр i, двух систем регистрации сигнала σt рег i, двух систем ча- стотно-временной синхронизации σt счвс i, кабелей σt каб i, коррелятора σt кор), а также от флуктуаций атмосферы σt атм i и структуры источника σt ист.
. (5)
Полагая нестабильности задержек σt нс i одинаковыми и независимыми и учи- тывая расчетное значение σt SNR, для достижения требования σt не более 20 пс, из вы- ражения (5) нестабильность задержки ПС σt пр должна быть не более 5 пс, а неста- бильность аппаратной задержки интерферометра σt aп (без учета атмосферы и источ- ника) — не более 15 пс. Погрешность измерения задержки ПС измерителем должна быть не хуже 1.5 пс (при этом вклад погрешности измерителя в измеряемое СКО со- ставит не более 5%). Погрешность измерения задержки σt определяется погрешно- стью измерения фазы συ и шириной полосы частот («апертуры») Δfа, на которой определяется задержка σt= −συ/(2πΔfа). Максимальная ширина апертуры определяет- ся рабочей полосой Δf, для достижения σt ≤1.5 пс при минимальной Δf = 400 МГц для приемных систем комплекса «Квазар-КВО» συ должна составлять не более 0.2o.
Вторая глава посвящена изложению методик анализа флуктуирующих сигна- лов и их применения для исследования стабильности многокаскадных ПС.
Реализована методика анализа стабильности флуктуирующих сигналов с при- менением ДА [A10]. Для зарегистрированной записи сигнала ПС (представленного рядом временных отсчетов с размерностью более 105) производится расчет σ2A в за- висимости от времени усреднения τ и строится график σ2A(τ) в двойном логарифми- ческом масштабе. По наклону зависимости σ2A(τ) определяется тип шума (белый шум, фликкер-шум 1/f, шум случайных блужданий 1/f 2, дрейф) на разных времен- ных интервалах τ; по минимуму зависимости σ2A(τ) определяется оптимальное вре- мя накопления τopt сигнала. Для проверки методики проведено моделирование в сре- де LabVIEW [A13]: генерация шумов (временных рядов) с различной СПМ вида S(f) ∝1/f α (и их комбинаций) с последующим расчетом для них σ2A(τ) и определения для каждой из комбинаций шумов оптимального время накопления τopt.
Анализ с расчетом ДА предполагает, что обрабатываемый ряд отсчетов не со- держит «мертвого времени» DT между отсчетами, то есть время измерения (усред- нения) τ при получении каждого следующего отсчета равно периоду T взятия отсче- тов. Однако на практике во многих измерительных приборах существует инстру- ментальная задержка DT (время усреднения τ меньше периода регистрации отсчетов T: DT=T–τ), что необходимо учитывать при расчете σ2A(τ). Разработана и проверена в вычислительных и в натурных экспериментах методика коррекции расчетов ДА
σσ2 N12σ2
t tSNR
i1
t нс
i
для сигналов с «мертвым временем» σ2ADT(τ) [A10]. σ2ADT(τ) рассчитывается на ин- тервалах, кратных периоду T, она аппроксимируется по методу наименьших квадра- тов линейной комбинацией степенных функций, соответствующих компонентам шума: белому, 1/f, 1/f 2, а также и линейному дрейфу. Корректированная ДА σ2AC(τ) вычисляется домножением найденных коэффициентов аппроксимации Ki множите- лями Bi:
σ2 ()Bσ2 (τ)BK τBK BKτBKτ2,B τT,B B B 1.(6) AC ADT 00 11 22 33 0 1 2 3
Для выявления причин нестабильности ПС разработана методика оценки вли- яния на стабильность возмущающих факторов Ui. Измеряются коэффициенты влия- ния Kвл.i — как частные производные зависимостей G=G(Ui), и вычисляются ожида- емые флуктуации ∆G/G (формула (7)). При затруднительном непосредственном из- менении возмущающего фактора для оценки влияния используется корреляционный анализ флуктуаций ∆G/G и ∆Ui/Ui. Вычисляется коэффициент корреляции между флуктуациями Kкор, и коэффициент влияния Kвл оценивается по формуле (7) [A14]
GU G U NKi KKСКО/СКО
вл.i . вл.o. кор    . (7) Gi1 Ui GU
Разработана методика исследования амплитудной стабильности многокаскад- ной ПС [A1]. Измеренная дисперсия относительных флуктуаций выходной мощно- сти ΔPвых/Pвых ПС представляется в виде
P2 1G2T2P2
 вых      сист   изм  , (8)
 Pвых  f τ  G   Tсист   Pизм 
G — общий КП приемника, равный произведению КП его каскадов, ΔG — флуктуа- ции КП, ΔTсист — флуктуации шумовой температуры системы, ∆Pизм/Pизм — относительная погрешность измерителя. Относительные (нормированные на сред- нее значение) флуктуации общего КП определяются суммой относительных флук- туаций КП отдельных каскадов ∆Gi/Gi, а их дисперсия определяется суммой диспер-
сий флуктуаций каскадов и взаимных ковариаций Kij. В случае трех каскадов:
2  2  2  2 2K 2K 2K . (9)
Экспериментально методика реализуется следующим образом. На вход ПС через направленный ответвитель (НО) подается гармонический сигнал от высоко- стабильного генератора, и с помощью НО и датчиков мощности регистрируются сигналы на выходе каждого блока. КП каскадов Gi вычисляются как отношение мощностей на их выходах и входах. Данная схема позволяет измерить флуктуации КП всех блоков одновременно и определить корреляционные связи между блоками [A16].
Разработаны методики исследования фазовой стабильности КП и групповой задержки ПС. Фазовая стабильность КП усилительных блоков ПС измеряется с по- мощью векторного анализатора цепей (ВАЦ) на фиксированной частоте по непре- рывному измерению параметра arg[S21] в течение заданного интервала времени. Для измерения фазовой стабильности блоков с преобразованием частоты разработана методика [A11] с использованием многопортового ВАЦ: порт 1 используется для генерации входного СВЧ сигнала блоков, порт 2 — для измерения выходного сиг- нала на промежуточной частоте fПЧ, порт 3 — в качестве «эталонного» генератора с частотой fПЧ. ВАЦ измеряет разность фаз между портами 2 и 3. В этой методике ис-
1 2 3 12 23 13
пользуется особенность ВАЦ: все генерируемые на его портах сигналы синхронизи- рованы одним генератором опорной частоты. Данная методика позволяет проводить долговременные измерения фазы в отличие от альтернативного метода измерения вносимых фазовых шумов с помощью анализатора спектра (где минимальная часто- та ограничена — 1 Гц, соответственно и анализируемые времена флуктуаций — ме- нее 1 с). Было проверено в экспериментах, что на частотах выше 1 Гц (времена ме- нее 1 с) результаты, полученные с помощью этих двух методик, совпадают.
Стабильность групповой задержки усилительных каскадов ПС измерялась с помощью ВАЦ путем измерения разности фаз на двух частотах. Для измерения групповой задержки, вносимой каскадом ПС — преобразователем частоты, исполь- зовался двухчастотный метод, реализованный в векторном анализаторе цепей R&S ZVA 40. Измерялась разность фаз Δυ1-2 между двумя несущими f1 и f2 на входе и выходе испытуемого устройства и вычислялась групповая задержка tгр по разности частот между несущими: tгр = Δυ1-2/2π(f1−f2).
Разработана методика исследования стабильности групповой задержки ПС в составе радиоинтерферометра по корреляционному отклику. Из двух ПС и штатной широкополосной системы преобразования сигналов (ШСПС) был создан макет ра- диоинтерферометра [A4]. На входы ПС подавался сигнал от генератора шума, вы- ходные сигналы ПС регистрировались, и вычислялась двумерная взаимная корреля- ционная функция на корреляторе RASFX ИПА РАН. Для оценки стабильности при- емной аппаратуры производилось сравнение расчетных и фактически полученных значений отношения сигнал-шум SNR и СКО задержки σt корреляционного отклика, вклад аппаратурной нестабильности оценивался по формуле (5).
Стабильность групповой задержки ПС в процессе РСДБ-наблюдений опреде- лялась путем долговременной записи выходных сигналов РТ при непрерывном со- провождении космического радиоисточника и последующим расчетом корреляци- онного отклика [A8]. Для определения оптимального времени накопления корреля- ционного отклика, при котором достигается минимальная погрешность задержки, производился расчет ДА.
В третьей главе описан созданный аппаратно-программный комплекс иссле- дования стабильности ПС. Для проведения измерений сигналов в разных каскадах были проанализированы рабочие характеристики лабораторных приборов, выпуска- емых ведущими мировыми производителями, и выбраны приборы, удовлетворяю- щие сформулированным выше требованиям (см. Главу 1). Для автоматизации изме- рений разработаны программы, обеспечивающие визуализацию, непрерывную дол- говременную регистрацию результатов измерений сигналов в памяти ПК и их по- следующую обработку. Перечень разработанных программ:
 Программы расчета ДА, СПМ и взаимно-корреляционных функций в среде
MathCAD;
 Программа управления и регистрации мощности измерителем мощности Keysight
N1914A c выносными диодными датчиками 8487D (рабочий диапазон частот дат-
чиков 10 МГц–50 ГГц);
 Программа управления и спектрально-селективной регистрации мощности анали-
затором спектра Keysight N9030A (рабочий диапазон частот анализатора 3 Гц– 44 ГГц) при наличии помех в анализируемой полосе частот;
 Программа управления и регистрации амплитуды, фазы коэффициента передачи и групповой задержки каскадов ПС при измерениях векторным анализатором цепей Rohde&Schwarz ZVA 40 (рабочий диапазон частот анализатора 10 МГц–40 ГГц).
Программы управления приборами разработаны в среде LabVIEW на основе протокола VISA. Приведены интерфейсы программ, блок-диаграммы и описание их работы. В программах реализовано управление параметрами измерительных прибо- ров, визуализация регистрируемых сигналов в виде графика (во временной области, в реальном масштабе времени), запись сигналов в файл, оперативное вычисление и индикация среднего значения и СКО сигнала по выбираемому курсором участку графика.
С применением реализованной методики расчета ДА оценена стабильность используемых измерительных приборов. Требуемая относительная погрешность из- мерения мощности (≤ 3∙10−5) для измерителя мощности Keysight N1914A при време- ни накопления τ = 0.1 с достигается при превышении собственного шума измерите- ля (−75 дБм) на 45 дБ в диапазоне от −30 до −20 дБм. Уровень мощности выходных сигналов ПС при подаче на вход измерителя подстраивался с помощью дополни- тельных внешних аттенюаторов.
При наличии помех от мобильной связи в L- и S-диапазонах ПС необходимо производить спектрально-селективную регистрацию их выходных сигналов, напри- мер, с помощью анализатора спектра (АС). Однако погрешность измерения (10−3) мощности шумовых сигналов АС ограничена его полосой пропускания RBW (в АС это не более 8 МГц) и наличием «мертвого времени» в его работе при сканировании широкой полосы ПС Δf = 1 ГГц за время ST. Реальный период регистрации данных T получается еще больше, чем ST, из-за времен перестройки анализатора и передачи данных в ПК. Поэтому при анализе данных АС (с расчетом по ним ДА) применялась разработанная методика корректировки сигналов, зарегистрированных с «мертвым временем», коэффициент B0 = (RBW∙ST)/(Δf ∙T) [A14].
Случайная погрешность измерения стабильности фазы векторным анализато- ром цепей R&S ZVA 40 при τ = 0.1 с составила не более 0.07o. Случайная погреш- ность измерения групповой задержки усилительных каскадов при τ = 0.1 с и Δf = 1 ГГц составила не более 0.2 пс, а преобразователей частот — 0.7 пс (из-за ограничения максимальной «апертуры» Δf = 15 МГц в двухчастотном методе).
Приемные системы РТ-13 (как трехдиапазонная, так и широкополосная) име- ют 8 каналов (4 частотных диапазона по двум
поляризациям) [A17, A6]. Для одновременного
измерения выходной мощности этих каналов
разработано многоканальное устройство радио-
метрического контроля (МУРК, рисунок 1). Это
особенно актуально при измерениях на РТ, когда
при движении антенны нет возможности под-
ключаться к разным каналам последовательно.
МУРК состоит из 8 диодных датчиков мощности R&S типа NRP8SN (10 МГц– 8 ГГц) с LAN интерфейсом, интегрированные в единую систему PoE-коммутатором с передачей данных на удаленный ПК по сети Ethernet. Программа управления для устройства написана в среде LabVIEW. С применением МУРК проведены измерения параметров радиотелескопов нового поколения РТ-13 (см. Главу 5).
Рисунок 1 — Многоканальное устрой- ство радиометрического контроля
Для контроля выходной мощности, КП, шумовой температуры отдельных блоков ПС и их стабильности, установленных на РТ в разных обсерваториях, нами разработано устройство контроля параметров (УКП) [A9]. УКП (рисунки 2, 3) спро- ектировано и реализовано как состоящее из 2-х частей: СВЧ-блока и блока сбора данных. СВЧ-блок реализует усиление и формирование полосы частот сигналов, не- обходимые при независимом измерении параметров отдельных блоков ПС, и гене- рацию тестового шумового сигнала. Блок сбора данных позволяет регистрировать мощность в 8 каналах ПС, генерировать сигнал модуляции (для реализации модуля- ционного режима работы ПС), а также дополнительно контролировать ряд напряже- ний питания блоков ПС (12 каналов контроля). СКО собственного шума блока сбора данных равно 70 нВ при времени усреднения τ = 0.1 с, что с учетом КП детектора 500 мВ/мВт составляет −69 дБм, частотный диапазон детекторов — 10 МГц–20 ГГц. Модуль ввода (NI 9238) выходного сигнала детектора имеет входной диапазон ±500 мВ, разрядность 24 бит, частоту дискретизации fд=50 кГц. Регистрация данных на ПК осуществляется в разработанной в среде LabVIEW программе.
Генератор шума-S
Переключатель
Усилитель
Усилитель Усилитель Усилитель
Канал S-1
Усилитель
Канал S-2
Фильтр-S Упр. атт-р
Канал X-1
Фильтр-X Усилитель
Канал X-2
Фильтр-X Упр. атт-р
СВЧ-блок
Генератор шума-X
Переключатель
Фильтр-S
Делитель
Усилитель
Делитель
Усилитель
Модуляция 1
…
Модуляция 4
Цифровой модуль вывода
Модуль ввода сигнала
Детектор 1
…
Модуль ввода сигнала
Детектор 8
U1 …U12
Блок сбора данных
Модуль ввода напряжений
Ethernet- шасси
Рисунок 2 — Структурная схема устройства контроля параметров приемных систем S/X- диапазонов
Приведены схемы измерения (реги- страции сигналов и их последующей обра- ботки) для получения основных параметров исследуемой ПС с помощью созданного УКП. Режим измерения выбирается уста- новкой перемычек. В режиме контроля вы- ходной мощности сигналы с выходов бло- ков ПС подключаются на входы усилите- лей СВЧ-блока (рисунок 2). КУ СВЧ-блока составляет около 50 дБ. УКП позволяет од- новременно контролировать выходные сигналы 4 каналов: левой и правой поляри- зации S- и X-диапазонов ПС, что позволяет проводить измерения шумовой температу- ры и стабильности криогенных блоков без использования других блоков ПС.
Рисунок 3 — Устройство контроля парамет- ров ПС: слева — СВЧ-блок, справа — блок сбора данных
Для контроля нестабильности КУ приемной системы и еѐ компенсации с по- мощью разработанного УКП автором предложен следующий метод. В один полупе- риод модуляции усиленный и сформированный по полосе частот сигнал генератора шума, мощность которого Pвх измеряется в блоке сбора данных (рисунок 4), подает- ся на вход приемной системы через НО, измеряется выходной сигнал Pвых1, и вычис- ляется КУ ПС G = Pвых1/Pвх. В другой полупериод измеряется сигнал от антенны Pвых2. «Очищенный» от флуктуаций КУ ∆G/G полезный сигнал определяется по формуле ∆T/T=∆Pвых2/Pвых2−∆G/G.
СН
От антенны НО Приемная система
Рисунок 4 — Схема метода измерения и компенсации нестабильности коэффициента усиления
приемной системы, реализованного с помощью устройства контроля параметров
По сравнению с классическим
модуляционным радиометром с пи-
лот-сигналом, в предложенной схеме
измеряется стабильность опорного
шумового сигнала и не требуется
компенсация шума системы. Метод
был проверен при измерении неста-
бильности криоблока широкополос-
ной ПС (рисунок 5). По рисунку вид-
но, что на интервалах усреднения τ
более 1 с отклонение Аллана (корень
из дисперсии) выходного сигнала в
режиме компенсации (2) меньше, чем
в режиме полной мощности (1) до 2.5
раз. Чувствительность радиометра в
режиме компенсации до 2.5 раз выше.
Погрешность измерения относитель-
ного КП ΔG/G с помощью УКП (2∙10−5
при τ=1 с на верхней границе динамического диапазона) не уступает точности при- бора ВАЦ R&S ZVA40 и соответствует сформулированному требованию — не бо- лее 3∙10−5.
Для контроля шумовой температуры и еѐ стабильности на вход блока ПС по- переменно подаются сигналы от генератора шума или согласованной нагрузки с по- мощью переключателя, управляемого сигналом модуляции, который генерируется в
Цифровой модуль вывода
Модуль ввода сигнала
сигнал модуляции
Pвх
Детектор
Pвых 1
Детектор
Pвых 2
Детектор
Блок сбора данных
СВЧ-блок
Усилитель Фильтр Усилитель Делитель
Генератор шума
НО
Ethernet- шасси
0.001
1104
1105
1106
0.1 1 10 100 1000
Время усреднения, с
Рисунок 5 — Нестабильность выходного сигнала криоблока широкополосной ПС в режиме полной мощности (1) и в режиме компенсации нестабиль- ности (2)
2
12
Отн. отклонение Аллана

блоке сбора данных (рисунок 2). Выходной сигнал измеряемого блока подается на вход усилителя СВЧ-блока и после фильтрации измеряется раздельно на двух полу- периодах модуляции, соответствующих двум разным источникам входного сигнала. Погрешность измерения кратковременных флуктуаций шумовой температуры ∆Tш=0.07 K (τ = 1 с) у УКП выше, чем у анализатора коэффициента шума Keysight N8976B с генератором шума 15 дБ, ∆Tш=0.4 K (τ = 1 с), за счет измерения в широкой полосе и отсутствия «мертвого времени» при сканировании узкополосным филь- тром 4 МГц полосы ПС 1 ГГц.
Установка УКП в ПС позволяет независимо контролировать КП и стабильность криогенного блока и блока преобразования частот, не разбирая ПС, что особенно важно для ПС РТ-13, требующей для этого демонтаж всего фокального модуля. Для контроля опорный шумовой сигнал вводится в криогенный блок через НО и измеря- ется на выходе блоков с помощью НО.
В четвертой главе приводятся результаты лабораторных исследований ам- плитудной и фазовой стабильностей
трех типов ПС комплекса «Квазар-
КВО»: ПС S/X-диапазонов РТ-32,
трехдиапазонной и широкополосной
ПС нового РТ-13.
На рисунке 6 представлены ре-
зультаты исследования амплитудной
нестабильности на частоте 7.5 ГГц
широкополосной ПС РТ-13. Вклад
флуктуаций криоблока (1) в неста-
бильность КП всей ПС (4) превышает
вклад блока делителей (2) и блока пре-
образования частот (БПЧ) (3) [A2]. Бе-
лый шум 6 (первый член в формуле
(8)) преобладает на интервале до 0.3 с.
Это оптимальное время накопления
выходного сигнала широкополосной
ПС, при котором достигается мини-
мальный шум. На более длительных
интервалах времени усреднения преобладает фликкер-шум криоблока (отклонение Аллана — константа, см. формулу (6)).
Результаты исследований
амплитудной нестабильности трех
типов ПС сведены в таблицу 1.
Для ∆G/G посчитаны СКО при
τ =1 с при времени измерения
tизм = 60 c (усредненное значение
по длине записи) для определения
вклада в чувствительность радио-
метра при τ =1 с. Из таблицы 1 видно, что основным источником амплитудной не- стабильности ПС комплекса «Квазар-КВО» являются криогенные блоки. По анало- гичной методике исследовалась стабильность фазы и групповой задержки блоков
0.001
110 4
110 5
110 6
0.01 0.1 1 10 100 1000
Рисунок 6 — Амплитудная нестабильность широко- полосной ПС: 1 — КУ криоблока, 2 — КУ блока де- лителей, 3 — КУ блока преобразования частот, 4 — КУ ПС, 5 — выходной мощности ПС, 6 — в случае белого шума: ∆T/T=1/(√∆f∙τ)
4
3
6
Время усреднения, с
Таблица 1 — СКО нестабильности КУ ПС
∆G/G∙10-4, τ = 1 с, tизм = 60 с
РТ РТ-32 РТ-13
Диапазон S X S X Ka ШП
ПС 0.88 0.97 1.70 1.01 1.90 2.00
Криоблок 0.87 0.92 1.68 0.80 1.64 1.90
БПЧ 0.12 0.29 0.23 0.60 1.03 0.57
Усил. блок – – 0.15 0.15 0.15 0.27
13
Отн. отклонение Аллана

трех типов ПС. Основным источником фазовой нестабильности ПС являются блоки преобразования частот. Стабильность фазы важна на протяжении времени наблюде- ния источника, которое составляет от 10 до 120 с, СКО фазы ПС на интервале tизм = 60 c не превышает 3° при τ = 0.1 с, что даст снижение SNR на 0.3%. Основным источником нестабильности групповой задержки ПС являются блоки преобразова- ния частот. Стабильность задержки tгр важна на протяжении длительности всего ча- сового сеанса. СКО задержки ПС на интервале tизм = 60 мин не превышает 0.6 пс при τ = 10 с, что удовлетворяют сформулированному требованию — СКО задержки ПС не более 5 пс.
Для повышения амплитудной стабильности ПС следует проводить настройку режимов работы транзисторов еѐ входных криогенных малошумящих усилителей (МШУ) с оптимизацией по чувствительности (учитывающей как шумовую темпера- туру, так и стабильность). Для входного усилителя широкополосной ПС за счет ре- гулировки напряжения на стоке Uc и тока стока Ic полевых транзисторов, на основе которых реализован входной широкополосной каскад, удалось снизить флуктуации КУ на интервалах времени усреднения τ =10–100 с до 2 раз (до 5∙10−5), при этом шумовая температура не изменилась [A2]. Установлена сильная корреляция флукту- аций напряжений на электродах транзисторов и флуктуаций КУ МШУ Ka-диапазона [A1]. Для достижения флуктуаций КУ менее 10−4, напряжение на электродах транзи- сторов каждого из четырех каскадов усилителя, следует стабилизировать с точно- стью лучше 10−5.
Измерены коэффициенты влияния окружающей температуры Tокр на характе- ристики трехдиапазонной ПС РТ-13 и еѐ отдельных блоков в термокамере. Влияние температуры на КП KG, Tокр = −3.9∙10 −3 в наибольшей степени определяется блоком преобразования частоты (KG, Tокр = −2.6∙10−3), а на групповую задержку (Kt, Tокр = −0.5 пс/K) — криогенным блоком (Kt, Tокр = −0.25 пс/K). Изменение темпе- ратуры на РТ-13 с СКО=0.25°С в течение 6 часов привело к нестабильности КП с СКО = 7.8∙10−4. На длительных временных интервалах при усреднении более 100– 500 с стабильность ПС определяется стабильностью температуры.
Проведено сравнение стабильно- сти ПС в режиме полной мощности и в модуляционном режиме с пилот- сигналом с помощью разработанного УКП, результаты для ПС S-диапазона представлены на рисунке 7. Чувстви- тельность в модуляционном режиме с пилот-сигналом определяется выражени- ем ΔT = (2М/М−1)∙(Тсист/√(Δf∙τэф)), где M — коэффициент ослабления в модуля- торе, М =10. Эффективное время накоп- ления сигнала τэф = 0.8∙τ из-за исключе- ния переходных процессов в модуляторе. Теоретическая чувствительность радио- метра в модуляционном режиме с пилот- сигналом в 2.5 раза ниже, чем в режиме полной мощности. При τ=0.1 с и
Рисунок 7 — Нестабильность выходного
сигнала ПС S-диапазона РТ-32: 1 — в ре- жиме полной мощности; 2 — в модуляци- онном режиме
∆f = 400 МГц для режима полной мощности ∆T/T = 1.6∙10−4, а для модуляционного режима ∆T/T = 4∙10−4, что соответствует результатам измерений отклонения Аллана на интервале τ=0.1 с (рисунок 7). Чувствительность радиометра (СКО) в режиме полной мощности при τ =1 с в 1.9 раза выше, чем в модуляционном режиме и оста- ется выше до времени усреднения τ = 10 с.
Исследована стабильность групповой задержки радиоинтерферометра с нуле- вой базой при работе с трехдиапазонными и широкополосными ПС РТ-13 [A12]. СКО аппаратурной нестабильности задержки интерферометра для трехдиапазонных ПС составило в S-диапазоне σt ап = 5.6 пс, в X-диапазоне σt ап = 3 пс, в Ka-диапазоне σt ап = 5.2 пс, для широкополосной ПС σt ап = 1 пс, что удовлетворяют сформулиро- ванному требованию — СКО задержки не более 15 пс.
На макете радиоинтерферометра с нулевой базой установлено и подтверждено экспериментами, что при неточной установке частоты гетеродина и наложении зер- кальных зон Найквиста АЦП происходит периодическое изменение задержки [A5]. При сложении спектров основной зоны Найквиста с шириной ΔF и побочной с ши- риной ΔFп модуль корреляционного отклика s(t) описывается формулой:
s(t) Fsinc(Ft)2F sinc(Ft)22FF sinc(Ft)sinc(Ft)cos((FF)t2υ).(10) ппппп
Максимум и задержка корреляционного отклика будут совершать периодиче- ские колебания, амплитуда которых будет зависеть от величины наложения спек- тров, а частота колебаний равна удвоенному смещению частоты гетеродина. При случайных колебаниях фазы гетеродина также будет проявляться нестабильность задержки, СКО которой будет зависеть от СКО фазы, начальной фазы и величины наложения спектров. Для минимизации этого эффекта методом математического моделирования двухэлементного радиоинтерферометра подобраны антиалиасинго- вые фильтры Баттерворта 7 порядка с крутизной скатов 20 дБ/100 МГц, в этом слу- чае СКО колебаний задержки не превышает 5 пс [A5].
В пятой главе представлены результаты исследований ПС на РТ и наблюде- ний. С помощью созданного аппаратно-программного комплекса автором впервые измерены характеристики РТ-13 с трехдиапазонной ПС обсерваторий «Бадары», «Зеленчукская», «Светлое», а также с широкополосной ПС для обсерватории «Свет- лое», результаты приведены в таблице 2. Измерения шумовой температуры прове- дены с помощью широкоапертурного низкотемпературного генератора шума [A3], измерения SEFD, ширины и уровня боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направ- ленности (ДН) — по космическим радиоисточникам [A18]. Показано, что характери- стики РТ-13 соответствуют расчетным и лучшим мировым образцам.
Таблица 2 — Результаты измерений характеристик РТ-13 в обсерватории «Светлое»
Приемная система
Трехдиапапазонная
Широкополосная
Частота, ГГц
2.3
7.5 28.5 4.0 9.0 15.0
Тпр, K 22
18 48 31 21 25
Тсис, K 40
30 65 47 34 44
SEFD, Ян
1120
750
1750
1360
1220
1680
КИП Ширина ДН, мин
0.72 34 0.80 10 0.75 2.7 0.70 20 0.56 9 0.53 5
УБЛ, дБ
−13 −14 −13 −13 −14 −13
Проведены тестовые наблюдения радиоисточников для сравнения реализуе- мой чувствительности РТ-13 и РТ-32 с разработанными устройствами (МУРК и
УКП) и штатными системами регистрации (радиометрическим модулем ПРМ-2 на РТ-32 и широкополосной цифровой системой преобразования сигналов (ШСПС) на РТ-13). На РТ-32 обсерватории «Светлое» наблюдался источник 3С48 (поток 3.2 Ян), SEFD составило 310 Ян. Чувствительность РТ-32 в X-диапазоне при време- ни накопления τ = 1 с со штатным ПРМ-2 в режимах полной мощности (0.085 Ян) и модуляционном (0.077 Ян, см. рисунок 8а, график 2) примерно одинакова. Однако чувствительность в режиме полной мощности с разработанным УКП (0.04 Ян) в 1.9 раз выше (рисунок 8а, график 1). Таким образом, применение современной элемент- ной базы разработанного УКП позволило реализовать преимущество по чувстви- тельности радиометра полной мощности.
аб
5 80
1
2
4 3 2 1
60 40 20
00 100 200 300 00 50 100 150 200 Время, с Время, с
Рисунок 8 — Чувствительность радиотелескопов с разработанными устройствами:
a) РТ-32, X-диапазон, 1 — режим полной мощности, УКП, 2 — модуляционный режим, ПРМ-2; б) РТ-13, Ka-диапазон, 1 — МУРК, 2 — ШСПС
На РСДБ-радиотелескопе РТ-13 высокая чувствительность важна при фокуси- ровке РТ. Выполнять еѐ необходимо в Ka-диапазоне, в котором наиболее узкая ДН, высокий SEFD и слабый поток источников. На рисунке 8б представлены результаты наблюдений источника Venus в Ka-диапазоне обсерватории «Бадары». Чувствитель- ность РТ-13 при времени усреднения τ = 0.25 с с МУРК составляет 0.21 Ян, а со штатной ШСПС — 0.68 Ян, теоретическая чувствительность — 0.1 Ян. Использова- ние разработанного МУРК приблизило чувствительность РТ-13 к теоретической (различие объясняется нестабильностью ПС), и, как видно по рисунку 8б, позволяет более точно измерить уровень боковых лепестков и проводить фокусировку радио- телескопа РТ-13. Следует отметить, что новая многофункциональная система пре- образования сигналов для РТ-13 обсерватории «Светлое», установленная в 2020 г., имеет такую же чувствительность, как устройства радиометрического контроля.
Методика исследования стабильности задержки радиоинтерферометра приме- нена в РСДБ-наблюдениях [A8]. Проведен часовой сеанс сопровождения источника 3С454.3 одновременно на трех РТ-13. Были рассчитаны SNR и отклонение Аллана задержки корреляционного отклика в зависимости от времени накопления сигнала. SNR в S-диапазоне увеличивается пропорционально корню из времени накопления в соответствии с формулой (3) до времени накопления τ=2500с, а в X-, и Ka- диапазонах — до времени накопления τ = 1500 с. При этом отклонение Аллана за- держки корреляционного отклика (рисунок 9) для данного источника уменьшается как у белого шума пропорционально SNR до времени накопления τ = 15 с в S-, X- диапазонах и до τ = 100 с в Ka-диапазоне (в Ka-диапазоне τ больше за счет меньшего SNR и изначально большего σt SNR, см. формулу (4)), на более длительных интерва-
16
Поток, Ян
Поток, Ян

лах проявляется нестабильность аппаратурной задержки. Это время можно назвать оптимальным временем накопления сигнала данного источника, при котором дости- гается минимальное значение отклонения
Аллана задержки — 5 пс в S-диапазоне, 3
пс в X-диапазоне и 8 пс в Ka-диапазоне. При планировании РСДБ- наблюдений время накопления сигнала ис- точника автором предложено выбирать та- ким образом, чтобы рассчитываемое по формуле (4) СКО задержки корреляцион- ного отклика было не меньше СКО аппара- турной нестабильности, поскольку даль- нейшее увеличение времени накопления увеличивает погрешность определения за- держки для данного радиоинтерферометра [A8]. С учетом этого для ряда источников было сокращено время накопления в
РСДБ-сеансах по программе «R-X», в которой ведутся наблюдения в диапазонах S, X, Ka с временем накопления τ = 120 с. Сеансы за месяц были переобработаны в па- кете «Quasar» с τ = 60, 30, 15 и 8 с и оценены случайные погрешности определения поправок всемирного времени σUT1−UTC. Для исключения задержки в ионосфере об- рабатываются совместно два диапазона частот. В сочетании диапазонов «X-S» при уменьшении времени накопления с τ = 120 с до τ =15 с средняя за месяц σUT1-UTC уменьшилась с 17.9 до 12.8 мкс, а в сочетании «Ka-X» при τ = 30 с σUT1-UTC умень- шилась с 22.6 до 21.5 мкс, при этом СКО ряда поправок всемирного времени в соче- тании «X–S» уменьшилось на 1 мкс, а в сочетании «Ka-X» — на 4 мкс. Результаты свидетельствуют об уменьшении погрешности определения поправок всемирного времени и правильности предложенной методики определения оптимального вре- мени наблюдения источника. При изменении планирования сокращение времени наблюдения позволит наблюдать больше источников за сеанс, что должно привести к еще большему уменьшению погрешности определения поправок всемирного вре- мени.
Заключение
В результате работы разработаны методики исследований, создан аппаратно- программный комплекс и проведены исследования стабильности ПС РТ.
Разработаны методики и программное обеспечение для анализа стабильности сигналов с применением ДА, коррекции еѐ величины при наличии «мертвого време- ни» в измерениях, оценки влияния возмущающих факторов на стабильность с по- мощью корреляционного анализа. Разработанные методики и аппаратно- программный комплекс позволяют исследовать стабильность выходной мощности, коэффициента передачи и его фазы, шумовой температуры и задержки ПС как в це- лом, так и выделять вклад флуктуаций отдельных каскадов ПС, характеризующихся существенно различающимися уровнями сигналов и полосами рабочих частот, что не было реализовано до данной работы. Разработанное МУРК за счет одновремен- ной регистрации мощности восьми каналов позволяет оперативно и в полном объе- ме исследовать параметры ПС в лаборатории и на РТ. Разработанное УКП позволяет
Рисунок 9 — Отклонение Аллана задержки корреляционного отклика радиоинтерферо- метра
контролировать стабильность выходной мощности, КП и шумовой температуры от- дельных блоков ПС на РТ не проводя демонтаж ПС. Разработан и реализован с по- мощью УКП метод измерения и компенсации нестабильности коэффициента усиле- ния ПС, позволяющий повысить чувствительность радиометра на интервалах усред- нения от 1 секунды.
Исследована стабильность трех типов ПС комплекса «Квазар-КВО», опреде- лен вклад нестабильности отдельных блоков и показано, что преобладающим ис- точником амплитудной нестабильности на интервалах до 100 секунд являются крио- генные блоки, а нестабильности фазы и задержки — блоки преобразования частоты. На интервалах более 100 секунд стабильность ПС РТ-13 определяется температурой и наиболее чувствительным к еѐ влиянию каскадом по коэффициенту передачи яв- ляется блок преобразования частоты. Определены пути повышения стабильности ПС: настройка режимов транзисторов малошумящих усилителей с оптимизацией по чувствительности (учитывающей как шумовую температуру, так и стабильность), стабилизация напряжений на электродах транзисторов усилителей, улучшение тер- мостабилизации блока преобразования частоты. Проведено сравнение чувствитель- ности в режимах полной мощности и модуляционном на примере радиометра S- диапазона РТ-32: чувствительность в режиме полной мощности выше, чем в моду- ляционном режиме до 1.9 раза на интервалах усреднения до 10 секунд.
При тестировании работы комплекта аппаратуры радиоинтерферометра в ла- бораторных условиях (т.н. нулевая база) установлено, что неточность установки ча- стоты или нестабильность фаз гетеродинов при наложении спектров зеркальных зон Найквиста АЦП приводят к увеличению СКО групповой задержки корреляционного отклика.
Разработана методика исследования стабильности групповой задержки радио- интерферометра как на созданном в лаборатории макете, так и в процессе РСДБ- наблюдений. Методика позволяет находить вклад нестабильности задержки аппара- туры и оптимальный интервал накопления корреляционного отклика радиоинтерфе- рометра, при котором достигается минимальная погрешность определения группо- вой задержки, для использования при планировании времени наблюдения источни- ка. Обработка РСДБ-сеансов с найденным оптимальным временем накопления для источников позволила снизить погрешность определения поправок всемирного вре- мени.
С применением созданного аппаратно-программного комплекса проведены настройка и измерение характеристик (шумовая температура, SEFD, КИП, диаграм- ма направленности) радиотелескопов РТ-13 обсерваторий «Бадары», «Зелен- чукская», «Светлое» при работе с трехдиапазонной и широкополосной ПС, что поз- волило ввести РТ-13 в эксплуатацию.
Использование созданных устройств — многоканального устройства радио- метрического контроля и устройства контроля параметров — повысило (приблизило к теоретической) чувствительность радиотелескопа РТ-13, что позволило точнее проводить фокусировку радиотелескопа, а на РТ-32 позволило реализовать преиму- щество по чувствительности радиометра полной мощности по сравнению с штат- ным модуляционным режимом с пилот-сигналом до 1.9 раза на интервалах усредне- ния до 10 секунд. Применение созданных устройств радиометрического контроля позволит наблюдать более слабые источники на РТ-13 и РТ-32.
Разработанные методики и аппаратно-программный комплекс могут быть в дальнейшем использованы для исследований вновь создаваемых приемников. Со- зданные устройства радиометрического контроля могут быть использованы для контроля параметров ПС и для проведения радиометрических наблюдений на РТ-13 и РТ-32.