Радиоинтерферометрия со сверхбольшими базами (РСДБ) - история, состояние и аппаратура

Системы Мк-5 уже установлены на РТ-32 в Светлом, РТ-32 в Зеленчукской, РТ-70 в Евпатории, РТ-22 в Симеизе и РТ-32 в Вентспилсе. Стоимость терминала Мк-5B около 16 тысяч долларов США, а блоков со сменными дисками - 3000 долларов и 6000 в зависимости от объема дисков.

Также существует целое семейство японских терминалов записи К-3, К-4 и К-5. Развитие регистраторов в Японии идет параллельно мировому процессу. Поэтому в основном (если не принимать во внимание некоторых отличий систем, сконструированных разными японскими институтами), К-3 соответствуют по возможностям Мк-3, К-4 - Мк-4, только запись производится на большие, специально разработанные видеокассеты. К-5, как и Мк-5 обеспечивает запись РСДБ-данных на жесткие диски компьютера. Систему К-4 , установленную на РТ-22 в Симеизе можно увидеть на рис. 22, а К-5, на РТ-64 в Калязине, на рис. 24.

Рис. 24. Японская система записи данных на диски К-5, установленная на РТ-64 в Калязине.

Рис. 25. Терминалы регистрации данных формата NRTV, установленные на РТ-64 в Медвежьих Озерах (слева) и РТ-70 в Евпатории (справа).

Кроме того, свои разработки систем записи на жесткие диски в чем-то подобные Мк-5 и К-5 существуют в Китае (Шанхайская астрономическая обсерватория), Финляндии, Италии (институт радиоастрономии) и даже России (АКЦ ФИАН).

Система PCEVN, разработанная в Финляндии, при невысокой стоимости имеет максимальную скорость регистрации 256 МГб/с и также, как и S2 работает уже с цифровым потоком данных (PCEVN позволяет записать поток РСДБ-данных на простой компьютер).

Система записи для проекта «Радиоастрон» - RDR (Radioastron Data Recorder) имеющаяся пока в единичных экземплярах, должна записывать данные со скоростями от 128 МГб/с до 329 МГб/с, т.е. не способна работать ни с узкими, ни со сверхширокими полосами. К тому же она пока не прошла тестирования в реальных РСДБ-наблюдениях и обработка данных в RDR формате теоретически возможна только на создаваемом в Астрокосмическом центре ФИАН корреляторе.

Недорогие системы регистрации разработки итальянского института радиоастрономии в формате NRTV (near real time VLBI), см. рис. 25, способны записывать РСДБ-данные по двум входам на один жесткий диск объемом 100 Гбайт в полосе от 31,25 кГц до 48 МГц, а затем транслировать их в Интернет блоками данных разного объема (каждая минута записи разбивается на 10-ти и 50-ти секундные интервалы). При этом возможна трансляция РСДБ-данных даже по узкополосным каналам связи с нестабильной скоростью передачи данных, поскольку в комплект терминала NRTV входит дополнительный GPS-приемник для синхронизации передаваемых блоков данных. Стоимость терминала составляет 2500-3000 евро. В настоящий момент терминалы NRTV установлены на 6-ти антеннах РСДБ-сети LFVN (на РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-70 в Евпатории, РТ-22 в Симеизе, РТ-32 в Ното , РТ-25 в Урумчи и РТ-14 в Старой Пустыни) и активно используются в ежегодных наблюдательных сессиях LFVN. В том числе уже отработана процедура передачи РСДБ-данных в ценртр обработки через Интернет в полосе записи 2 МГц (4 МГб в с). Коррелятор НИРФИ-3 в Нижнем Новгороде обрабатывает формат NRTV.

Перейдем к рассмотрению различных видов видеоконвертеров для РСДБ. Подавляющее большинство зарубежных РСДБ-пунктов используют видеконвертеры, АЦП и форматеры, входящие в комплект регистраторов Мк-3/4 и К-3/4, подсоединяя к ним более современные Мк-5 и К-5 вместо лентопротяжных механизмов. Современные видеоконвертеры собираются из 8-16 независимых модулей, каждый из которых формирует 2 субполосы (верхнюю и нижнюю) по 16 МГц, т.о. полный комплект системы может обеспечивать общую полосу частот от 512 МГц до 1024 МГц (в последнем случае подключается две системы записи Мк-5). Эти видеоконвертеры имеют достаточно высокую стоимость - свыше 100 тысяч долларов для японской системы К-4 и свыше 200 тысяч долларов для Мк-4. В России стойка видеоконвертеров от Мк-4 имеется на РТ-32 в Светлом, а от К-3 - на РТ-64 в Калязине.

Поскольку канадская система регистрации S2 имеет цифровой вход, то для нее были разработаны три типа видеоконвертеров - в Австралии, Канаде и России.(в других странах S2 также подсоединяется к видеконвертерам систем Мк-3/4 и К-3/4). Австралийский институт ATNF первый разработал полностью цифровой двухканальный видеконвертер S2 DAS на 4 субполосы по 16 МГц (образец Australian S2 DAS имеется на РТ-64 в Калязине, приобретенный JPL для проекта «Радиоастрон»). Он имел совсем небольшую стоимость порядка 15 тысяч долларов, но микросхемы, которые использовались для изготовления, уже давно сняты с производства. Канадский вариант видеоконвертера рассчитан на подсоединение 2-х систем регистрации S2 и реализует принцип синтеза широкой полосы, т.е. при собственной полосе частот 128 МГц он формирует полосу до 1024 МГц за счет сверхбыстрого переключения субполос. Стоимость канадского видеоконвертера составляет 170 тысяч долларов (один экземпляр имеется на РТ-32 в Светлом).

В России одноканальный модуль видеоконвертера для S2 был разработан в НИРФИ. Он имеет полосу 2, 4 или 8 МГц (поскольку разрабатывался для проекта «Радиоастрон»). 4 таких модуля в отдельных корпусах были выпущены под наименованием ВПР-175 (находятся на РТ-70 в Уссурийске, РТ-64 в Медвежьих Озерах, РТ-22 в Пущино и РТ-14 в Старой Пустыни). В настоящее время субполоса модуля была расширена до 16 МГц и на заключительной стадии изготовления находится 8-канальная система с общей шириной полосы до 128 МГц. Недостатком системы является небольшой возможный диапазон входных промежуточных частот (центральная 175 МГц).

Многоканальная радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов (СПС) Р1000 была разработана ИПА РАН, ЗАО "РЭЛТА" и ОАО "Микротехника". СПС работает в базовой полосе промежуточных частот от 100 до 1000 МГц и формирует до 15-ти субполос по 16 МГц (до 240 МГц в целом). Для стыковки с S2 используется дополнительный блок квантования и синхронизации записи Р4100, разработанный ЗАО "РЭЛТА" по заданию ИПА РАН. Р1000 построен по блочно-модульному принципу и содержит распределитель широкополосных сигналов ПЧ Р6201 и однотипные блоки преобразования Р1101, в каждом из которых установлены 2 двухполосных видеоконвертора, преобразующих сигналы ПЧ в верхней и нижней боковых полосах к видеочастотам. Число блоков преобразования в системе может варьироваться от 1 до 5 в зависимости от поставленных задач РСДБ-наблюдений. В аппаратуре реализованы жесткие требования в части линейности и стабильности фазо-частотных характеристик, равномерности амплитудно-частотных характеристик, качества спектров гетеродинов преобразователей частот. СПС имеет встроенные системы оперативного контроля параметров и обеспечивает возможность полной автоматизации управления в процессе наблюдений в соответствии с принятым в международной практике программным обеспечением Mark IV Field System. Блок-схема устройства представлена на рис. 26, а основные характеристики в таблице 4.

Рис. 26. Блок-схема системы преобразования сигналов Р1000.

Таблица 4. Параметры системы преобразования сигналов

Стоимость СПС Р1000 составляет около 30 тыс. долларов.

Самой последней разработкой в области систем преобразования видечастот является итальянский прибор (институт радиоастрономии) DBBC на общую полосу частот 512 МГц или 1024 МГц (см. рис. 27).

Рис. 27. Цифровой видеоконвертер DBBC итальянской разработки.

DBBC наиболее современный прибор, единственный из всех видеоконвертеров формирующий полосы частот от сверхмалых (31,25 кГц) до сверхбольших (512 МГц) с наименьшим на сегодня шагом 2 кГц (возможна выдача «сплошных» сверхшироких полос 32 МГц, 64 МГц, 128 МГц, 256 МГц и 512 МГц), при этом форма АЧХ получаемых полос близка к идеальной (рис. 29). Тактовая частота составляет 1024 МГц. Последняя версия DBBC позволяет иметь 4 входа на промежуточной частоте из 16-ти возможных номиналов вплоть до 2,2 ГГц. Возможно формирование до 128 частотных каналов с общей скоростью от 1 до 8 Гб/с. Кроме того, DBBC оцифровывает входной сигнал с применением 16-битного квантования, сохраняя информацию не только о фазе (как все другие существующие видеоконвертеры), но и об амплитуде принимаемого радиосигнала. Что, например, абсолютно необходимо для РСДБ-локации тел Солнечной системы. Имеются встроенные блоки шумового и фазового контроля, а также цифро-аналоговый преобразователь для вывода на контрольно-измерительную аппаратуру. Имеется измеритель входной мощности радиосигналов, встроенный автокорреляционный спектрометер, позволяющий в реальном времени подстраивать вырезаемую частотную полосу под вид принимаемого сигнала (например, вырезать помехи). При этом стоимость DBBC меньше других зарубежных аналогов. Возможен выпуск DBBC в виде отдельных одно-двухканальных-четырех канальных модулей. Два первых мини-DBBC на 4 канала сейчас используются на китайских радиотелескопах, третий применяется EVN для тестов новых радиотелескопов (в августе с ним и терминалом регистрации PCEVN прошел тест на РТ-70 в Евпатории). В случае совместного использования с терминалом регистрации NRTV, 2-х канальный модуль DBBC может быть интегрирован с NRTV в единый прибор. На рис. 28 приведена блок-схема аналого-цифрового преобразователя DBBC, который обеспечивает 16-битное квантование сигнала (два каскада по 8 бит). На выход DBBC может подключаться одновременно 2 системы регистрации. Примеры АЧХ, которые реализует DBBC, приведены на рис. 29. Стоимость DBBC составляет порядка 80-90 тысяч евро. Один 2-х канальный модуль на полосу 48 МГц для системы NRTV стоит 11-12 тысяч евро.

Рис. 28. Блок-схема аналого-цифрового преобразователя DBBC.

Рис. 29. Примеры АЧХ, которые реализует DBBC.

Различные РСДБ-задачи могут накладывать определенные требования на используемую аппаратуру. К примеру, прием сигналов КА производится в на длинах радиоволн 13 см и 3,6 см, при этом РСДБ-аппаратура должна обеспечивать согласованную фильтрацию спектральных составляющих сигналов КА, а также прием сигналов квазаров в достаточно широкой полосе частот, чтобы наблюдать слабые квазары максимально близкие к траектории КА. Также, при навигационных измерениях желательно проведение РСДБ-наблюдений в квази-реальном времени, что налагает требование на качество каналов связи, которые будут использоваться для передачи принятых РСДБ-сигналов в центр корреляционной обработки. Для исследований тел Солнечной системы методом РСДБ-локации требуется использовать многоуровневое квантование, чтобы сохранить полную информации о принятом эхо-сигнале, а не только информацию о фазе, как при стандартной технике РСДБ, где используется 1 и 2-х битное квантование. При радиолокации монохроматическим радиосигналом может потребоваться тонкая фильтрация радиосигналов, что может быть обеспечено далеко не всеми типами видеоконвертеров.

Геодинамические эксперименты проводятся одновременно в 2-х частотных диапазонах - 13 см и 3,6 см, следовательно видеконвертер должен иметь минимум 2 входа. Эксперименты обычно проводятся в полосе 56 МГц, но зачастую с реализацией синтеза широкой полосы для увеличения точности измерений. РСДБ-наблюдения слабых объектов, например, активных звезд, проводятся в максимально широкой полосе частот до 512 МГц в самых разных частотных диапазонах. А для наблюдений источников мазерного излучения достаточно относительно небольшой полосы частот - 16 МГц на длинах волн 18 см, 1,35 см. С другой стороны, некоторые линии мазерного излучения находятся за пределами стандартных радиоастрономических диапазонов, поэтому такого рода исследования требуют модификации радиоприемников. Наблюдения квазаров часто проводятся в 2-х круговых поляризациях одновременно для исследования магнитных полей, или же одновременно в нескольких частотных диапазонах сразу (например, 1,35, 6 см, 18 см, 50 см), для изучения спектральных свойств объектов. Т.о. на радиотелескопах необходимо иметь радиоприемники на несколько частотных диапазонов, при этом каждый из них должен иметь по 2 канала на разные поляризации. А также должна быть обеспечена возможность передачи от приемников до видеоконвертеров одновременно не менее 4-х сигналов промежуточной частоты. При этом и радиоприемники и кабельные линии должны пропускать сверширокие полосы до 512 МГц без значительных искажений АЧХ. Для обработки результатов наблюдений мазеров и пульсаров требуется реализация особых корреляционных режимов обработки (например, для пульсаров необходимы т.н. «ворота» - обеспечение работы коррелятора только во время пульсарного импульса миллисекундной длительностью, иначе не будет достигнуто требуемое отношения сигнал/шум). Для обработки результатов наблюдений солнечного ветра и солнечных микровспышек-спайков требуется высокое ременное разрешение коррелятора, чтобы исследовать временные вариации радиосигналов.

Литература

1. А.Ф.Дементьев, В.А.Алексеев, А.А.Антипенко, С.П.Игнатов, Н.А.Князев, А.Е.Крюков, Б.Н.Липатов, Е.П.Молотов, И.Е.Молотов, В.А.Окмянский. Радиоинтерферометрия бортового сигнала КА "ГРАНАТ" для навигационных координатных измерений. Всероссийская астрономическая конференция. Тезисы заявленных докладов. - СПб.: НИИХ СПбГУ, 2001, стр. 57.

2. Алексеев В.А., Алтунин В.И., Горшенков Ю.Н., Дементьев А.Ф., Игнатов С.П., Князев Н.А., Липатов Б.Н., Молотов Е.П., Молотов И.Е., Попереченко Б.А., Чибисов А.В., Языков В.П. Сотрудничество Российской и Американской сетей слежения дальнего космоса в области интерферометрии. Труды конференции "Современные проблемы и методы астрометрии и геодинамики", 23-27 сентября 1996 г. С.-Петербург, стр. 156-163.

3. J.M. Charman, J. Reynolds, W. Wilson, D.L. Jauncey, V.I. Slysh, I.E. Molotov, R.D. Dagkesamanskii, P.M. McCulloch, J.E.J. Lovell, G. Feil. Detection of Compact OH Mainline Maser Emission from the Supergiant Star VX Sgr. Proceedings of 4th APT Workshop, 4-7 December 1995, Sydney, Australia, pp. 120-127.

4. Slysh V.I., Jauncey D.L., Reynolds J.E., Molotov I.E., Wilson W., Jauncey D.L., McCulloch P.M., Feil G., Cannon W. et al., VLBI Observations of OH Masers with the S-2 Recording System. MNRAS 283, N 1, 1996, pp. 9-14.

5. Rodin A., Sekido M. Pulsar VLBI observations. Proceedings of the 6th European VLBI Network Symposium, Ros, E., Porcas, R.W., Lobanov, A.P., & Zensus, J.A. (eds.) , June 25th-28th 2002, Bonn, Germany, pp.

6. Пушкарев А.Б., Ковалев Ю.Ю., Молотов И.Е., Нечаева М.Б., Горшенков Ю.Н., Туккари Дж, Стангелини К., Хонг Ш., Куик Дж., Доугхерти Ш., Лю Ш. Квазиодновременные наблюдения активных ядер галактик с помощью РСДБ и на РАТАН-600. Астрономический журнал, 2004, том 81, № 11, стр. 988-997.

7. Nechaeva M. B., Gavrilenko V. ,G., Yu., Gorshenkov N., Lipatov B.N., Liu Xiang, Molotov I.E., Pushkarev A.,B., Shanks R. & Tuccari G. VLBI-experiments on research of solar wind plasma. Proceedings of 7th European VLBI Network Symposium on VLBI Scientific Research & Technology Toledo Spain. October 12-15, 2004, Edited by Rafael Bachiller, Francisco Colomer, Jean-Fransois Desmurs, Pablo de Vicente. Observatorio Astronomico Nacional. p. 333-336.

8. Молотов И.Е., Вольвач А.Е., Коноваленко А.А., Фалькович И.С., Литвиненко Л.Н., Негода А.А., Федоров О.П., Липатов Б.Н., Горшенков Ю.Н., Агапов В.М., Туккари Дж., Лю Ш. Международные эксперименты по исследованию околоземных объектов с помощью метода РСДБ-локации. Космическая наука и технология, т.10, №2/3, 2004, стр. 87-92.

9. Gino Tuccari, Igor Molotov, Salvatore Buttacio, Yuri Gorshenkov, Xiang Liu, Xiaou Hong, Maria Nechaeva, Gaetano Nicotra, Alexander Volvach. E-LFVN - An Internet Based VLBI Network. Proceedings of the 3rd e-VLBI Workshop, Makuhari, October 6-7, 2004. International VLBI Service for Geodesy and Astrometry, NICT Technology Development Center News No. 25, November 2004, National Institute of Information and Communications Technology, Tokio, Japan, p. 59 - 63.

Размещено на Allbest.ru