Работы школы Н.А.ЕСЕПКИНОЙв области акустооптических

процессоров радиосигналов иих внедрения в радиоастрономию

А.П. Лавров, И.И. СаенкоСанкт-Петербургский государственный политехнический

университет

Центр Оптоэлектронных проблем информатики

Радиоастрономическая конференция"Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов России"

22-26 сентября 2008г. пос. Нижний Архыз, САО РАН

НэляАлександровнаЕСЕПКИНА1930-2008

Более полувека в Ленинградском политехническом институте:Инженер-исследователь, спец. «Техническая физика» (1954, с отличием)К.т.н., спец. «Радиофизика» (1958)Д.ф.-м.н., спец. «Радиоастрономия» (1971)Профессор, каф. «Квантовой электроники» (1973)Лауреат Государственной премии СССР (1984)Заслуженный деятель науки и техники РФ (1994)Создатель и руководитель

отраслевой лабораторией «Новые методы обработки СВЧ-сигналов»,научно-учебным центром «Оптоэлектронные информационныесистемы»

• МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР• ЛЕНИНГРАДСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. М.И. Калинина

• Аспирант Н.А. ЕСЕПКИНА• ОСТРОНАПРАВЛЕННЫЕ ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

С ПЕРЕМЕННЫМ ПРОФИЛЕМ ОТРАЖАТЕЛЯДЛЯ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ

• Диссертация на соисканиеученой степени кандидататехнических наук

• Научный руководитель• доктор технических наук• профессор З.И. Модель• Научный консультант• доктор технических наук• профессор Б.В. Брауде

• Ленинград 1958 г.• ------------------------------------------------------

Первый рубеж:

Дальнейшее развитие:Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н.Радиотелескопы и радиометры.- М.: Наука.- 1973.

• МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР• ЛЕНИНГРАДСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. М.И. Калинина

• Аспирант Н.А. ЕСЕПКИНА• ОСТРОНАПРАВЛЕННЫЕ ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

С ПЕРЕМЕННЫМ ПРОФИЛЕМ ОТРАЖАТЕЛЯДЛЯ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ

• Диссертация на соисканиеученой степени кандидататехнических наук

• Научный руководитель• доктор технических наук• профессор З.И. Модель• Научный консультант• доктор технических наук• профессор Б.В. Брауде

• Ленинград 1958 г.• ------------------------------------------------------

Первый рубеж:

Дальнейшее развитие:Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н.РАДИОТЕЛЕСКОПЫ и РАДИОМЕТРЫ.- М.: Наука.- 1973.

Направления исследований в ЛПИ (СПБГПУ)• Антенная техника, АПП• Оптическое моделирование характеристик антенн• Элементная база акустооптики, многоэлементные ПЗС-фотоприемники• Акустооптические процессоры радиосигналов в специальных

системах– Обработка сигналов антенных решеток, РСА– Корреляторы, Сжатие ЛЧМ- и ДЧМ- сигналов и др.

• Акустооптические процессоры радиосигналов для радиоастрономии– Акустооптические спектрометры– Акустооптическое диаграммоформирующее устройство для Сибирского

солнечного радиотелескопа– Акустооптический спектрометр для озонометрии– Оптоэлектронный процессор для обработки сигналов пульсаров

(пульсарный процессор)• Системы сбора и цифровой обработки сигналов

Когерентный оптический процессор

• 2-D Processing Power: 103 x 103 FT in 1 nanosec (if F=15cm)• (106)2 at / 10-9 sec = 1021 analog multiples and summations per sec• FFT equivalent – N logN: 20 x 106 at / 10-9 sec = 2 x 1016 FLOPS• Traditionally limited by input SLM frame rate and CCD detector array readout• (106)2 at / 10-2 sec = 1014 analog multiples and summations/sec• FFT equivalent – N logN: 106 x 20 at / 10-2 sec = 2 GFLOPS

A lens makes a Fourier Transform of the input coherent field at its rear focal plane

Когерентный оптический процессордля сигналов ФАРКогерентный оптический процессор длясигналов ФАР

Когерентный оптический процессор длясигналов ФАР

Параллельный обзор пространства и частотный анализ э.м. излучения

Когерентный оптический процессордля сигналов ФАР

(ERIM, Michigan)

9

Акустооптические модуляторы

•Жидкостный 48-канальный модулятор (процессор ФАР).

•Широкополосные АО модуляторы на кристалле LiNbO3

АО устройства в приемных комплексахрадиотелескопов: спектрометры,корреляторы, пульсарные процессоры

Первый акустооптический спектрометрТревор Коул. Электронно - оптический радиоспектрограф.

// ТИИЭР.-1973.- Т.61, №9.- С.203-205.D.K. MILNE, T.W. COLE. A broad-band Radio Astronomy Spectrometer

// Proc IREE Australia.- 1979, March.-P.43-46.80-е годы: Созданы первые отечественныеоптоэлектронные системы для спектральныхисследований в радиоастрономии -акустооптические спектрометры

СВЧприемник

Преобразо-ватель частоты

Акустооптический

спектроанализаторЭВМ

А

Цифроваясистема сбораи обработки

данных

М

Э

1кГц "звездный"

F мод

ФПЗС

К

В.Г.Грачев, Н.А.Есепкина, И.М.Кочергина, С.В.Прусс-Жуковский,Н.Ф.Рыжков, А.И.Шишкин, Акустооптический спектрометр длярадиотелескопа РАТАН-600 // Письма в АЖ.- т.10.- N6,-1984.- с.474-490.

Акустооптические спектрометрыФурье-линзаАОМФормирователь

пучка

Лазер

ФПЗС

ЭВМСистемарегистрации

УПЧ

Uвх

Uвых

FT

от приемника

КонтроллерФПЗС

θ

x

Фурье-преобразование в реальном времени сигналовв полосе частот до 1 ГГц с числом каналов до 1000.

500-канальный АОС с полосой 80 МГцСотрудничество: с Институтом прикладной физики РАН

(г. Н.Новгород) и Радиоастрономическим институтом НАН Украины(г. Харьков).

1998г. АО спектрометр используется для исследованияспектров молекулярных линий миллиметрового диапазона --РТ-22, Семеиз, Крым

Есепкина Н.А., Зинченко И.И., Саенко И.И., Антюфеев А.В., Вдовин В.Ф., ЕлисеевА.И., Круглов С.К., Лапкин И.В., Мышенко В.В., Нестеров В.С., Пирогов Л.Е., ШанинВ.Н., Штанюк А.М., Шульга В.М. Спектральные наблюдения в 3-мм диапазонедлин волн на радиотелескопе РТ-22 КрАО с использованием акустооптическогоанализатора спектра // Известия ВУЗов. Радиофизика.- 2000,- Т.XLIII, N11.- С.935.

1000-канальный АОС с полосой 500 МГц,применение для наблюдения излучения озона

Acoustooptic processor's package Overview of a complete optoelectronic system

Technical Specifications of two AOS An example ozone spectral line measured

- 1 5 0 - 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0

1 4 4

1 4 6

1 4 8

1 5 0

1 5 2

Bri

ghtn

ess t

empe

ratu

re,

КF r e q u e n c y o f f s e t , M H z

A O S -W A O S -HIF c en ter frequenc y 1.75 G H z 150 M HzIns tantaneous bandw idth 500 M Hz 80 M HzN um ber o f spectra lchanne ls

1000 1000

C hanne l bandw id th 0 .5 M Hz 80 kH zD ynam ic range 25 dB 26 dBLase r sou rce H e -N e H e-N eB ragg ce ll L iN bO 3 TeO 2

P ower consum p tion 40 W 50 W

Есепкина Н.А., Кропоткина Е.П., Круглов С.К., Леонов В.Н., Лукин А.Н.,Розанов С.Б., Саенко И.И., Соломонов С.В. Радиометрический комплекс сакустооптическим анализатором спектра для исследований атмосферного озонана частоте 142 ГГц // Успехи современной радиоэлектроники, 2003, №1.- С.52-60.

2 канальный АОС

AO processor's outputs for thewideband (80 MHz) noise input:a) - as it camera captures;b) - after computer processing.

Normalised passbands ofboth space channels

АО процессор в приемномкомплексе Сибирскогосолнечного радиотелескопа(ССРТ)

1υ

2

n

ВостокЗапад

Юг

Север

АнтеннаясистемаССРТ

Преобразовательчастоты и

переключатель

Θ

1

2

n

ξ

АО анализатор спектра

На регистрацию

Солнце

б)

a)ССРТЛИ

Метки времени4h08m4h07m4h06m

Время наблюдения(UT)4h08m4h07m4h06m

ССРТVI

Сравнение приемных комплексов ССРТ1987 г.

Фильтровой Акустооптический

Сканы радиоизображения Солнца:Гречнев В.В., Есепкина Н.А., Занданов

В.Г., Качев Л.Е., Мансырев М.И.,Молодяков С.А., Саенко И.И., Смольков

Г.Я., Шипов Л.М. Исследование макетаакустооптоэлектронного приемника на

Сибирском солнечном радиотелескопе. //Письма в ЖТФ.-1988. Т.14, вып.7, с.581.

АО коррелятор для ССРТ

LO

N-S E-W

Mix 1

Fourier lens

Bragg cell

Mix 2

S2

S1

h hDh

xIh

Dy

y

x

Coherent light

Ножевая ДН

КарандашнаяДН

Акустооптический интерферометр Юнга

АО пульсарный процессор вприемном комплексе РТ-64

Есепкина Н.А., Илясов Ю.П., Лавров А.П., Молодяков С.А., Орешко В.В.Применение акустооптического процессора для наблюдения радиоизлученияпульсаров // Письма в ЖТФ.- 2003.- Т.29, Вып.21.- С.32-39.

• Скорость дрейфа излучения пульсара :

• Скорость перемещения зарядовыхпакетов:

Фурье-линзаАОМФормирователь

пучка

Лазер

ФПЗС

ЭВМСистемарегистрации

УПЧ

Uвх

Uвых

FT

от приемника

КонтроллерФПЗС

θ

x

[ ]МГц/cDM

ftf

DM ,103,8 3

3

×=

¶¶

=V

[ ]МГц/c,shsh

aCCD TN

FTf

×DD==dV

Акустооптический пульсарный процессорконвейерного типа. СПбГПУ

Особенность: непрерывный конвейерный режим работы ФПЗС

Конвейерный режим работы ФПЗС

VW

t1 t2 t3 t…

VIMM

I(t1) I(t2) I(t3) …

poly Si

SiO2

Si

Движение оптического сигнала и потенциальных ямпо поверхности сканирующего ФПЗС

VIMM

poly Si

hν

I(t1)

I(t2)

I(tN) Uout

Эквивалентная схема сканирующего ФПЗС

ЛЗ, δt

ЛЗ, δtclock…

2 1 0 1 20

0.25

0.5

0.75

1

x

1

21

3

4

VoutU D,

Высокая селективность повыделению движущегосяотклика - влияние разностискоростей

+ Инвариантность к моментуприхода

Сравнение профилей импульсов пульсаров, полученных нарадиотелескопе РТ-64 (г.Калязин) и в каталоге EffelsbergПолучено в наблюдениях в 2002г с использованием АОП (Частота приема 1.4 ГГц, полоса 40 МГц)

23

Фильтровой и АО пульсарные процессорына радиотелескопе РТ-64 на частоте 1,4 ГГц

Метод калибровки частотной шкалы сиспользованием гребенки реперов

n200 400 600 800

0

0.5

1

Rel

ativ

e am

plitu

de

Frequency reference marks

NNumber ofCCDpixels withmaximums

Harmonicfrequency,MHz

1 58 1952 119 1903 181 1854 242 1805 304 1756 365 1707 426 1658 487 1609 547 15510 608 15011 668 14512 729 140

TCH

АОС

Генераторгребенкичастотныхреперов

SA

SK

T

ТCH

SA SK

ВРЕМЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ(t)

TMT2T0 T1

0 2 4 6 8 10 120.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

CC

D e

lem

ent

Смещение репера с частотой165 МГц во времени

Аппроксимированнаячастотная шкала АО процессора

0 100 200 300 400 500 600 700 800100

120

140

160

180

200

n

Част

ота

МГц

0 2 4 6 8 10424.8

424.875

424.95

425.025

425.1

*15 мин

n

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

200

400

600

800

1000

m

n

Положение12 частотныхреперов на шкале

Калибровка, контроль положения частотной шкалы

Измеренное смещение профилей (корреляционнаяобработка) составляет - 0,45 временного дискрета (разрешения)при регистрации.

Калибровка частотной шкалы АОП дает временную поправку -0,4 временного дискрета и устраняет смещение.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

0.25

0.5

0.75

1 РТ-64, Калязин2005 г., 1.4 ГГц

n

Результаты применения метода периодическихчастотных калибровок шкалы АО процессора

Профили импульсов пульсара PSR 1937+21, полученные с месячныминтервалом:

Приемник608 –614 М Гц

Банкфильтров

160

Буферныйцифровой

накопитель160х256

ЭВМ35-41М Гц

fПЧ

Приемны й комплекс радиотелескопа РТ -64 длянаблюдения пульсаров на частотах 0,6 и 1,4 ГГц

Фильтровой компенсатордисперсии

Приемник1,41– 1,76 ГГц

150-200М Гц

АОпроцессор

Периодпульсара ТР

Буферныйцифровой

накопитель4096

АО процессор - компенсатордисперсии

Программир .синтезатор

периода

ФП ЗС -контроллер

FФ

DM

Перестраив.генератор

FТ

)(ksΣ

s1s2

sn

kns ,

)(ksΣЭВМ

TDM

0f2= 600

1400

1450

TАОП

f1= 1425

t

...t1

t0 t2TP

1 2 NP-1N

Дисперсионное запаздывание: Мера дисперсии:

TDM=TAOП - t1 + NP×TP + t2÷÷ø

öççè

æ=

21

22

3

f1-

f1*10*149378.4

DMTDM

Схема измерения меры дисперсии (DM)миллисекундных пульсаров по одновременным наблюдениям

на двух частотах

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 16.6733.3350 66.6783.33100116.67133.33150

1425 МГц АОП 600 МГц АC

На интервале ТDMукладывается

430 периодов P0

P0 P0

NM AX1 NM AX2

ТDM

Дата наблюдения Измеренная DM

18.06.03 71.023319.06.03 71.022120.06.03 71.021421.06.03 71.023417.06.04 71.021518.06.04 71.0206

DM=71.04по каталогу1990г.

18.06.03 РТ-64 (г.Калязин)

Дисперсионное запаздывание импульсов миллисекундногопульсара PSR 1937+21 на двух частотах

0

0,5

1,0

PSR 0329+54 19.06.2002DM=26,8; P=0,714 с; S=203 мЯнРТ-64 (г.Калязин)

Номер отсчета (n) и время (t, мс)

254,2мс

1425 МГц 600 МГц

1 40 80 120 160 200 240

Инт

енси

внос

ть

100 200 300 400 500 6001 (t) (n)

Профили импульсов пульсара PSR 0329+54

Вид макета 2D ОЭ процессораМатричныйФПЗС

2-канальныйАО модуляторЛазер

Формирующаяоптика Фурье-линзаsL sR

y

x

<sL2>+<sR

2>

<2sL sR > <2sL sR cosδ>

y

I(y)Параметры Стокса:

S0= <sL2>+<sR

2>S1= <sR

2>-<sL2>

S2=<2sL sR cosδ>S3=<2sL sR sinδ>

1/KL

Управлениесканированием

UВЫХ

Перспектива. Двухканальный ОЭ процессор для измеренияполяризации радиоизлучения и интерференционная картина

в его выходной плоскости

Системы сбора и цифровой обработки сигналов1. Цифровой радиометрический модуль с сетевым интерфейсом

Иванов С.И., Круглов С.К., Мардышкин В.В., Михайлов А.Г.Цифровые выходные устройства для радиометрического режимаработы радиотелескопа. Доклад в ПРАО ФИАН, 2006г.

Рис. 1. Внешний вид модуля ЦРМС, установленного внадзеркальной кабине радиотелескопа РТФ-32

Системы сбора и цифровой обработки сигналов2. Транзисторный СВЧ детектор мощности

для широкополосного приемника

Есепкина Н.А., Иванов С.И., Лавров А.П., Матвеев Ю.А.Разработка и исследование транзисторного СВЧ детектора . 2008 (в печати).

2. Транзисторный СВЧ детектор мощностидля широкополосного приемника

Параметр детектора Моделиро-вание

Теория Эксперимент

Ширина полосы частот СВЧ сигнала (3дБ) мГц 1800 – 1800

Неравномерность АЧХ в рабочей полосе дБ ±0,5 – ±0,3

Чувствительность по напряжению мВ/мкВт 140 140 130

Тангенциальная чувствительность дБм -62 -61,5 -61,6

Граничная мощность дБм -20 -17 -20

Динамический диапазон квадратичного детектирования дБ 42 44,5 41,6

Уровень собственных шумов (по выходу) мкВ 50 81 75

Температурная нестабильность UВЫХ при ΔТ=180 С % 6 12 8

Полоса выходного фильтра НЧ кГц 80 100 80

Максимальное изменение UВЫХ, из-за нестабильностинапряжения Ист. Пит. %

– 1 –

Сравнение результатов моделирования, теоретическогоанализа и экспериментального исследования

Опытный образецДетекторная камера8471D фирмы «Agilent

Technologies»

Детекторнаякамера М33402

Сравнение основных параметров современных диодных СВЧдетекторов с параметрами опытного образца транзисторного СВЧ детектора

Параметр детектора 8174D М33402 Опытныйобразец

Ширина полосы частот СВЧ сигнала (3дБ) МГц 2000 5000 1800

Неравномерность АЧХ в рабочей полосе дБ ±0,3 ±0,5 ±0,3

Чувствительность по напряжению мВ/мкВт 0,5 0,1-0,3 130

Тангенциальная чувствительность дБм -50 -46 -61,6

Граничная мощность дБм 0 -16 -20

Динамический диапазон квадратичного детектирования дБ 30 30 41,6

Температурная нестабильность UВЫХ при ΔТ=180 С % 12 15 8

КСВ по входу детектора не более 1,23 1,4 1,5(моделирование)

Максимальная входная мощность мВт 100 10 80

Среди радиоастрономов. Семинар в ИПФ РАН(Н.Новгород, 2001)

XV-th European Frequency and Time ForumIEFTF. 2002, St-Petersburg, Russia.

Всероссийские конференции по оптическойобработке информации, 90-е годы

(на борту теплоходов, оз.Ладога, оз.Онега)

Спасибо за внимание!