RU2065140C1

RU2065140C1 - Photoelectric modulation spectrometer

Info

Publication number: RU2065140C1
Application number: RU94025910A
Authority: RU
Inventors: Н.А. Есепкина; С.К. Круглов; С.А. Молодяков
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный технический университет
Priority date: 1994-07-12
Filing date: 1994-07-12
Publication date: 1996-08-10
Also published as: RU94025910A

Abstract

FIELD: radio astronomy. SUBSTANCE: invention relates to measurement and registration of radio signals in radio astronomy, specifically to registration of spectra of burst processes in the Sun and in other space sources. Optoelectron modulation spectrometer has modulator which first input is input of spectrometer connected by output to input of spectral receiver which is connected with output to electric input of acoustic spectrum analyzer which optical output is linked to matrix photodetector built on charge-coupled devices with frame transfer which controlling input is connected to output of generator of reversible phase pulses. Its first input is connected to output of counter, which second input is linked to output of reference generator, which third input is connected to output of divider and which fourth input is connected to output of counter. Second output of divider is connected to second input of modulator and its input is linked to output of reference generator. First input of counter of vacant lines is connected to output of reference generator, its second input is linked to input of counter. Electric input of matrix charge-coupled device is connected to register. EFFECT: enhanced functional reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерению и регистрации сигналов в радиоастрономии, в частности, регистрации спектров вспышечных процессов на Солнце и других космических источниках. Спектрометры должны иметь максимальную частоту получения спектров при минимальном "мертвом времени" (МВ), т.е. времени, в течение которого спектрометр не регистрирует входной сигнал. В настоящее время регистрируются вспышки с временем нарастания 20 мс и длительностью 50 мс (см. A. Lecacheus, C. Rosolen, M. Davis, J. Bookbider, T.S. Bastian and G. A. Dulk. Dynamic spectra of radio sources from 4,5 to 5,0 GHz. // Astron. Astrpphysics. 1993. v. 275, p. 670-678). Предполагается существование более коротких вспышек, для регистрации которых требуются спектрометры с временным разрешением порядка единиц миллисекунд. The invention relates to the measurement and recording of signals in radio astronomy, in particular, the registration of spectra of flare processes on the Sun and other space sources. Spectrometers should have a maximum frequency of obtaining spectra with a minimum "dead time" (MV), i.e. the time during which the spectrometer does not register an input signal. Outbreaks with a rise time of 20 ms and a duration of 50 ms are currently recorded (see A. Lecacheus, C. Rosolen, M. Davis, J. Bookbider, TS Bastian and GA Dulk. Dynamic spectra of radio sources from 4.5 to 5 , 0 GHz. // Astron. Astrpphysics. 1993. v. 275, p. 670-678). It is assumed that shorter flares exist, for the recording of which spectrometers with a time resolution of the order of a few milliseconds are required.

Известны модуляционные многоканальные оптоэлектронные спектрометры радиосигналов с синхронным интегрированием отсчетов в цифровой памяти (см. G. Chin, D. Buhl, Acoustooptic spectrometer for radio astronomy // SPIE. v. 23, 1980, p. 30-37). Known modulation multichannel optoelectronic spectrometers of radio signals with synchronous integration of samples in digital memory (see G. Chin, D. Buhl, Acoustooptic spectrometer for radio astronomy // SPIE. V. 23, 1980, p. 30-37).

Недостатком этих устройств является низкая частота модуляции и недостаточное для исследования вспышек временное разрешение. The disadvantage of these devices is the low modulation frequency and insufficient temporal resolution for flash research.

Известен оптико-электронный модуляционный спектрометр (см. а. с. N 1368798, кл. G 01 R 23/17) с синхронным аналоговым накоплением на матричном ПЗС фотоприемнике (ФПЗС) с кадровой организацией. Это устройство лишено указанных выше недостатков, однако ему присуще наличие МВ. Наличие МВ недопустимо при наблюдении вспышечных процессов, так как заранее не известна длительность вспышки, время прихода, начальная и конечная фаза. При требуемом времени разрешения 1-10 мс МВ в данных спектрометрах составит 0,2-1 мс. Кроме того, МВ уменьшает чувствительность спектрометра в зависимости от соотношения МВ и времени интегрирования до десятков процентов. Known optical-electronic modulation spectrometer (see and.with. N 1368798, class G 01 R 23/17) with synchronous analog storage on a matrix CCD photodetector (FPS) with personnel organization. This device is devoid of the above disadvantages, but it is inherent in the presence of MV. The presence of CF is unacceptable when observing flare processes, since the duration of the flare, the time of arrival, and the initial and final phase are not known in advance. With the required resolution time of 1-10 ms, the MV in these spectrometers will be 0.2-1 ms. In addition, MV reduces the sensitivity of the spectrometer depending on the ratio of MV and integration time to tens of percent.

Известен оптико-электронный модуляционный спектрометр (см. а. с. N 1629871, кл. G 01 R 23/17), он обеспечивает возможность регистрации спектров практически без МВ, но частота модуляции и соответственно частота получения спектров ограничена временем считывания сигналов из фотоприемника. Среднее время вывода сигнала из ФПЗС составляет 0,5-1 мс, что соответствует частоте модуляции 500-1000 Гц и не удовлетворяет требованиям наблюдения быстропеременных спектров. Существенным недостатком данного спектрометра является то, что требуемый ФПЗС с двумя выходными регистрами и одним общим регистром накопления промышленностью не выпускается, а те ФПЗС, которые можно использовать, вместо одного содержат более 100 регистров накопления, и при выводе зарядов из ФПЗС появляется такое же МВ, что и в выше описанном случае. Known optical-electronic modulation spectrometer (see A. S. N 1629871, class G 01 R 23/17), it provides the ability to record spectra with virtually no MV, but the modulation frequency and, accordingly, the frequency of obtaining the spectra is limited by the time of reading the signals from the photodetector. The average time of signal output from the FPSS is 0.5-1 ms, which corresponds to a modulation frequency of 500-1000 Hz and does not satisfy the requirements for observing rapidly changing spectra. A significant drawback of this spectrometer is that the required FPS with two output registers and one common accumulation register is not issued by the industry, and those FPS that can be used instead of one contain more than 100 accumulation registers, and the same MV appears when the charges are removed from the FPS. as in the case described above.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности (прототипом) является модуляционный оптико-электронный спектрограф (см. а.с. N 1290194, кл. G 01 R 23/17). Это устройство содержит последовательно соединенные между собой модулятор, первый вход которого является входом устройства, спектральный приемник, акустооптический спектроанализатор, матричный фотоприемник на приборе с зарядовой связью с кадровой организацией, регистрирующее устройство, а также опорный генератор, генератор реверсивных фазных импульсов и счетчик. Выход генератора реверсивных фазных импульсов соединен с электрическим входом ФПЗС, первый вход генератора соединен с выходом счетчика. Опорный генератор соединен по выходу со вторыми входами модулятора, генератора реверсивных фазных импульсов и входом счетчика. Of the known devices, the closest in technical essence (prototype) is a modulation optical-electronic spectrograph (see AS No. 1290194, class G 01 R 23/17). This device contains a modulator connected in series, the first input of which is the device input, a spectral receiver, an acousto-optical spectrum analyzer, a charge-coupled array photodetector array detector, a recording device, as well as a reference generator, a reversible phase pulse generator, and a counter. The output of the generator of the reversible phase pulses is connected to the electric input of the FPSS, the first input of the generator is connected to the output of the counter. The reference generator is connected at the output to the second inputs of the modulator, the generator of the reversible phase pulses and the input of the counter.

Недостатком данного устройства является наличие МВ, что недопустимо при регистрации вспышек. The disadvantage of this device is the presence of MV, which is unacceptable when registering outbreaks.

Для исключения МВ в оптоэлектронный модуляционный спектрометр, содержащий последовательно соединенные между собой модулятор, первый вход которого является входом устройства, спектральный приемник, акустооптический спектроанализатор, матричный ФПЗС, регистрирующее устройство, а также генератор реверсивных фазных импульсов и счетчик, выход генератора реверсивных фазных импульсов соединен с электрическим входом ФПЗС, первый вход генератора соединен с выходом счетчика, введены опорный генератор высокой частоты, делитель и счетчик пустых строк, причем выход опорного генератора соединен со входами делителя, счетчика пустых строк и со вторым входом генератора реверсивных фазных импульсов, первый выход делителя соединен со вторым входом модулятора, второй выход соединен с входом счетчика и третьим входом генератора реверсивных фазных импульсов, второй вход счетчика пустых строк соединен с выходом счетчика, а выход с четвертым входом генератора реверсивных фазных импульсов. To exclude MV into an optoelectronic modulation spectrometer containing a modulator connected in series, the first input of which is the input of the device, a spectral receiver, an acousto-optical spectrum analyzer, a matrix FPGA, a recording device, and also a generator of reversed phase pulses and a counter, the output of a generator of reversed phase pulses is connected to electrical input FPSS, the first input of the generator is connected to the output of the counter, introduced the reference high-frequency generator, divider and counter start lines, and the output of the reference generator is connected to the inputs of the divider, empty line counter and to the second input of the reverse phase pulse generator, the first output of the divider is connected to the second input of the modulator, the second output is connected to the counter input and the third input of the reverse phase pulse generator, the second counter input blank lines connected to the output of the counter, and the output with the fourth input of the generator of the reversible phase pulses.

Использование счетчика пустых строк в оптоэлектронном модуляционном спектрометре позволило реализовать режим синхронного накопления на границе секции накопления (СН) и секции хранения (СХ) ФПЗС и дало возможность практически исключить "мертвое время" при сохранении высокой частоты модуляции. The use of a blank line counter in an optoelectronic modulation spectrometer made it possible to implement the synchronous accumulation mode at the boundary between the storage section (CI) and the storage section (CX) of the FPSS and made it possible to virtually eliminate “dead time” while maintaining a high modulation frequency.

На фиг. 1 представлена структурная схема оптоэлектронного спектрометра; на фиг. 2 графики, поясняющие временной характер амплитудной модуляции входного сигнала (а) и работу матричного ПЗС фотоприемника (б). In FIG. 1 is a structural diagram of an optoelectronic spectrometer; in FIG. 2 graphs explaining the temporal nature of the amplitude modulation of the input signal (a) and the operation of the matrix CCD photodetector (b).

Оптоэлектронный модуляционный спектрометр (фиг. 1) содержит модулятор 1, первый вход которого связан с антенной А и является входом спектрометра, соединенный по выходу со входом спектрального приемника 2, который соединен по выходу с электрическим входом акустооптического спектроанализатора 3, оптический выход которого связан с матричным ФПЗС 4, управляющий вход которого подключен к выходу генератора реверсивных фазных импульсов 5, а выход к регистрирующему устройству 6, первый вход генератора реверсивных фазных импульсов 5 подключен к выходу счетчика 7, второй вход к выходу опорного генератора 8, третий вход подключен к выходу делителя 9, а четвертый вход к выходу счетчика 10. Второй выход делителя соединен со вторым входом модулятора 1, а вход с выходом опорного генератора 8. Первый вход счетчика пустых строк 10 соединен с выходом опорного генератора 8, а второй вход с выходом счетчика 7. Структура спектрального приемника 2 (типа СП-21) описана в работе: Есепкина Н.А. Котов Ю.А. Петрунькин В.Ю. и др. "Акустооптический спектрометр для радиотелескопа РАТАН-600" // Астрофизические исследования (Изв. САС). 1980. Т. 12. с. 88-93. Схема генератора реверсивных фазных импульсов приведена в работе: Афанасьев С.Я. Бородин С.М. Стенин В.Я. "Программируемое устройство управления матричными формирователями видеосигнала на ПЗС" //Автометрия. 1983. N 3. с. 70-74. The optoelectronic modulation spectrometer (Fig. 1) contains a modulator 1, the first input of which is connected to antenna A and is the input of the spectrometer connected at the output to the input of the spectral receiver 2, which is connected at the output to the electrical input of the acousto-optical spectrum analyzer 3, the optical output of which is connected to the matrix FPSS 4, the control input of which is connected to the output of the generator of reverse phase pulses 5, and the output to the recording device 6, the first input of the generator of reverse phase pulses 5 ode to counter 7, the second input to the output of the reference oscillator 8, the third input is connected to the output of the divider 9, and the fourth input to the output of the counter 10. The second output of the divider is connected to the second input of the modulator 1, and the input to the output of the reference generator 8. The first input of the counter is empty lines 10 is connected to the output of the reference oscillator 8, and the second input to the output of the counter 7. The structure of the spectral receiver 2 (type SP-21) is described in: Esepkina N.A. Kotov Yu.A. Petrunkin V.Yu. and others. "Acoustic-optical spectrometer for the RATAN-600 radio telescope" // Astrophysical studies (Izv. SAS). 1980.V. 12. p. 88-93. The scheme of the generator of reversible phase pulses is given in the work: Afanasyev S.Ya. Borodin S.M. Stenin V.Ya. "Programmable control device for matrix signal shapers on a CCD" // Avtometriya. 1983. N 3. p. 70-74.

Времена накопления сигналов антенны (А) и эквивалента (Э) (фиг.2) равны и соответствуют T₁ и T₂. Период времени интегрирования сигналов равен T_n (T₁ + T₂ х n, где n число циклов синхронного накопления.The accumulation time of the antenna signals (A) and equivalent (E) (figure 2) are equal and correspond to T ₁ and T ₂ . The signal integration time period is T _n (T ₁ + T ₂ x n, where n is the number of synchronous accumulation cycles.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

С приемной антенны А на вход спектроанализатора поступает радиосигнал, который по сигналам с делителя 9 модулируется модулятором 1 с периодом Т_м T₁ + T₂ (фиг. 2а). Спектральный приемник осуществляет усиление модулированного радиосигнала в полосе приема и преобразует диапазон частот принимаемого сигнала в диапазон частот акустооптического спектроанализатора 3. В последнем производится преобразование радиосигнала в оптический и пространственное спектральное разложение последнего. Оптические сигналы спектральных компонент провоцируются на зону II (фиг.2б) секции накопления ФПЗС 4. В засвеченных элементах фотоприемника накапливается заряд q, пропорциональный освещенности и времени накопления. Каждому столбцу ФПЗС соответствует свой спектральный отсчет, который формируется лишь в зоне II. Зоны I и III изолированы от счета и служат зонами хранения зарядовой информации. Зона II представляет собой одну или несколько строк ФПЗС. Зоны I и III могут включать до тысячи строк.From the receiving antenna A, a radio signal is supplied to the input of the spectrum analyzer, which is modulated by modulator 1 with the period T _m T ₁ + T ₂ according to signals from the divider 9 (Fig. 2a). The spectral receiver amplifies the modulated radio signal in the reception band and converts the frequency range of the received signal into the frequency range of the acousto-optical spectrum analyzer 3. The latter converts the radio signal into optical and spatial spectral decomposition of the latter. The optical signals of the spectral components are provoked to zone II (Fig.2b) of the FPSS 4 accumulation section. A charge q is proportional to the illuminance and the accumulation time in the illuminated elements of the photodetector. Each FPSS column has its own spectral count, which is formed only in zone II. Zones I and III are isolated from the account and serve as storage zones for charge information. Zone II is one or more FPSS lines. Zones I and III can include up to a thousand lines.

В момент t₁ начинается накопление сигнала первого полупериода модуляции в зоне II. С приходом импульса с делителя 9 в момент времени t₂ генератор реверсивных фазных импульсов 5 вырабатывает последовательность импульсов управления, которая перемещает сформированный зарядовый рельеф, отображающий за время T₁ спектр сигнала А, из второй зоны в первую зону. Одновременно во вторую зону переместятся "пустые" зарядовые пакеты из третьей зоны. В течение времени T₂ во второй зоне будет формироваться зарядовый рельеф, отображающий спектр сигнала Э. По следующему импульсу с опорного генератора 9 в момент времени t₃ генератор 5 вырабатывает обратную последовательность импульсов управления ФПЗС синхронно с переключением модулятора 1, при этом в ФПЗС происходит установление исходного положения зарядовых пакетов, что завершает первый цикл синхронного накопления в СН. После заданного числа циклов синхронного накопления n счетчик 7 вырабатывает сигнал, по которому генератор реверсивных фазных импульсов перемещает зарядовые пакеты в СХ вниз в сторону первого выходного регистра, а в СН вверх в сторону второго выходного регистра. Количество строк m, на которые перемещаются заряды в СХ и СН задает счетчик пустых строк 10, причем число сдвигов в СН на два больше чем в СХ и равно m + 2, а каждый сдвиг строк происходит по импульсам опорного генератора 8. Величину m следует выбирать в интервале от 1 до 10, в зависимости от типа и режима работы ФПЗС. В процессе переноса строк в СХ и СН происходит их сдвиг в оба выходных регистра. Вывод зарядовых пакетов из выходных регистров происходит через m + 2 импульсов опорного генератора после прихода импульса со счетчика 7. В процессе непрерывной работы оба поля СН и СХ будут заполнены строками зарядовых пакетов соответствующих сигналам эквивалента Э и антенны А. Расстояние между строками в каждом поле будет равно m. При считывании по мере вывода зарядовых пакетов возможно получение полезного разностного сигнала, например, как было предложено в а.с. N 1629871.At time t ₁ , the accumulation of the signal of the first modulation half-cycle in zone II begins. With the arrival of a pulse from the divider 9 at time t _{2, the} generator of reversible phase pulses 5 generates a sequence of control pulses that moves the generated charge relief, which displays the spectrum of signal A over time T ₁ , from the second zone to the first zone. At the same time, “empty” charge packets from the third zone will move to the second zone. During time T ₂ , a charge relief will be formed in the second zone, which displays the spectrum of signal E. According to the next pulse from the reference generator 9, at time t _{3, the} generator 5 generates an inverse sequence of control pulses of the FPSS synchronously with the switching of modulator 1, while the establishment of the FPSS the initial position of the charge packets, which completes the first cycle of synchronous accumulation in CH. After a given number of synchronous accumulation cycles n, the counter 7 generates a signal by which the generator of reversible phase pulses moves the charge packets in the CX down towards the first output register, and in the CH up towards the second output register. The number of rows m onto which the charges are transferred in the CX and CH is set by the counter of empty lines 10, and the number of shifts in the CH is two more than in the CX and equal to m + 2, and each shift of the lines occurs according to the pulses of the reference generator 8. The value of m should be chosen in the range from 1 to 10, depending on the type and mode of operation of the FPSS. In the process of transferring strings to CX and CH, they shift to both output registers. The output of charge packets from the output registers occurs through m + 2 pulses of the reference generator after the pulse arrives from counter 7. During continuous operation, both fields CH and CX will be filled with rows of charge packets corresponding to the signals of the equivalent E and antenna A. The distance between the lines in each field will be equal to m. When reading as the charge packets are output, it is possible to obtain a useful difference signal, for example, as was suggested in A.S. N 1629871.

Использование счетчика пустых строк выгодно отличает предлагаемый спектрометр от известных аналогов, так как за счет предлагаемого синхронного накопления на границе СН и СХ и использования секций в качестве аналогового буфера после детектирования сигналов, не только сохраняются преимущества прототипа (высокая частота модуляции), но и практически исключается "мертвое время". Длительность МВ будет соответствовать времени переноса одной строки в ФПЗС и может составлять (0,5^oC х m) мкс, что на два порядка меньше чем у прототипа. Дальнейшее уменьшение интервала МВ нецелесообразно, т.к. указанное выше время уже соизмеримо со временем переключения входного модулятора и временем ввода сигнала в акустооптический спектроанализатор.The use of a blank line counter distinguishes the proposed spectrometer from well-known analogues, since due to the proposed synchronous accumulation at the CH and CX boundaries and the use of sections as an analog buffer after signal detection, not only the advantages of the prototype are preserved (high modulation frequency), but it is also practically eliminated dead time. The duration of the MV will correspond to the transfer time of one line in the FPS and can be (0.5 ^o C x m) μs, which is two orders of magnitude less than that of the prototype. A further decrease in the MV interval is impractical because the above time is already commensurate with the switching time of the input modulator and the time of input of the signal into the acousto-optical spectrum analyzer.

Claims

Оптоэлектронный модуляционный спектрометр, содержащий последовательно соединенные между собой модулятор, первый вход которого является входом устройства, спектральный приемник, акустооптический спектроанализатор, матричный ПЗС фотоприемник с кадровой организацией, регистрирующее устройство, а также генератор реверсивных фазных импульсов и счетчик, выход генератора реверсивных фазных импульсов соединен с электрическим входом матричного ПЗС фотоприемника с кадровой организацией, первый вход генератора соединен с выходом счетчика, отличающийся тем, что в него введены опорный генератор высокой частоты, делитель и счетчик пустых строк, причем выход опорного генератора соединен с входами делителя, счетчика пустых строк и с вторым входом генератора реверсивных фазных импульсов, первый выход делителя соединен с вторым входом модулятора, второй выход соединен с входом счетчика и третьим входом генератора реверсивных фазных импульсов, второй вход счетчика пустых строк соединен с выходом счетчика, а выход с четвертым входом генератора реверсивных фазных импульсов. An optoelectronic modulation spectrometer containing a modulator connected in series, the first input of which is a device input, a spectral receiver, an acousto-optic spectrum analyzer, a CCD array photodetector with a personnel organization, a recording device, and also a phase reversal pulse generator and a counter; the output of a phase-reversed pulse generator is connected to the electrical input of the matrix CCD photodetector with personnel organization, the first input of the generator is connected to the output of the counter, characterized in that a reference high-frequency generator, a divider and an empty line counter are introduced into it, and the output of the reference generator is connected to the inputs of the divider, an empty line counter and to the second input of the reverse phase pulse generator, the first output of the divider is connected to the second input of the modulator, the second output connected to the counter input and the third input of the reverse phase pulse generator, the second input of the empty line counter is connected to the counter output, and the output to the fourth input of the reverse phase pulse generator.