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

Мониторинг состояния окружающей среды требуется для информационного обеспечения принятия решения о допустимых режимах работы радиотелескопа, осуществляемого оператором, обслуживающим радиотелескоп и анализирующим указанную информацию, или экспертной системой, заменяющей оператора в данном вопросе. Кроме того, результаты измерений могут использоваться при моделировании поведения металлоконструкций радиотелескопа в режиме реального времени.

Метрологический анализ показал, что требования к точности измерения параметров окружающей среды не высоки (порядка 1%). Поэтому указанные параметры могут быть измерены широким кругом стандартных измерительных приборов.

Аналого-цифровое преобразование измеренных величин для ввода их в средства вычислительной техники (например, для записи в базу данных экспертной системы) не требует большой разрядности n ( 0,01 ≥ 1/2ⁿ , n ≥ 7) и быстродействия t_p ( t_p ≥ 20 mc.). Однако измерительные каналы должны быть хорошо защищены от электромагнитного воздействия и сами не должны быть источниками электромагнитных помех. Последнее, достигается использованием оптических измерительных преобразователей и волоконно-оптических линий связи. Такой подход оправдан еще и потому, что и для измерения параметров самого радиотелескопа то же используются оптические методы. Поэтому предлагается использовать в системе мониторинга интерференционно-кодовые измерительные каналы (ИКИК), особенностью которых является использование интерференционных модуляторов, оптических кодирующих устройств (ОКУ) и передача информации по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) в виде параллельного оптического двоичного кода (параллельный оптический канал), что увеличивает скорость передачи и обработки данных в вычислительных управляющих комплексах (ВУК)

Описываются обобщенные структуры ИКИК, их передаточные функции и используемые методы анализа динамики. Ставится задача синтеза структур оптико-электронных измерительных каналов с заданными свойствами, из которых основными являются разрешающая способность, разрядность выходного кода, время и диапазон измерения. При этом, прежде всего, необходим выбор рациональной схемы под заданный тип преобразуемой величины, который должен базироваться на классификации каналов по типу входной аналоговой величины, типам используемых модуляторов, оптических усилителей и кодирующих устройств, а также в зависимости от физических эффектов, используемых для переноса изменения входной аналоговой величины в изменение оптической пространственно-временной структуры. Показано, что одну и ту же физическую величину можно преобразовать в оптический параллельный двоичный код с помощью достаточно большого количества разнообразных структур ИКИК. Выбор наилучшего варианта структуры, а также составляющих его блоков можно осуществить, исходя из анализа показателей качества. При этом необходимо иметь математическое описание преобразования входной аналоговой величины в ИКИК.

При создании математической модели преобразования учитывались ограничения, накладываемые как на структуру ИКИК, так и на устройство его отдельных блоков. Основными блоками являются модулятор формирующий пространственно-временную периодическую структуру, и оптическое кодирующее устройство с оптическим усилителем, осуществляющие растровый анализ и кодирование. Взаимодействие этих блоков можно изучать с помощью математической модели взаимодействия пространственно-временных структур.

Взаимодействие двух структур в наиболее общем виде с учетом принятых допущений может быть описано следующим образом :

где - значение параметра, например, интенсивности, результирующего электромагнитного поля в точке с координатами (х*, у*, z*) и в момент времени наблюдения - функция пропускания потока света элементами структур; - усредняющие ядра, то есть функции, описывающие усреднения, сопровождающие взаимодействия, f^* - функция, описывающая тип взаимодействия (обычно функция сложения или умножения).

Функция h_i может, например, описывать свойство запоминания или накопления на прямолинейном участке характеристики кривой фотоматериала.

Проведенный на базе полученного описания анализ взаимодействия двух периодических структур, на основе которого строятся оптические усилители перемещений, используемые в ИКИК, позволил выявить следующие их основные особенности, которые необходимо учитывать при синтезе ИКИК:

- период T = (λ₁λ₂)/e, где λ1 и λ2 периоды структур, е – их наибольший общий делитель, и шаг H = (λ₁λ₂)/│λ₁ – λ₂│комбинационных полос, образующихся в результате взаимодействия двух периодических структур, это не одно и то же, так как они совпадают только при │λ₁ – λ₂│= 1,

- диапазон преобразования сопряжением двух структур перемещения определяется величиной шага (периода) сигнального растра, так как при перемещении сигнального растра на величину большую этого шага на кодирующее устройство попадет другая комбинационная полоса, и будет неправильное кодирование,

- для увеличения коэффициента усиления перемещения в интерференционно-кодовых преобразователях сигнальную структуру надо перемещать перпендикулярно направлению ее элементов, а анализировать перемещение комбинационных полос в направлении перпендикулярном к ним,

- разрешающая способность η нониусного сопряжения и соответствующего усилителя перемещения определяется элементарным перемещением или квантом перемещения комбинационной полосы : η = λ₁(1 – 1/q₁) – λ₂(c + 1/q₂), где : с =[λ₁/λ₂] – целая часть отношения λ₁/λ₂ , q₁ = λ₁/τ₁ , q₂ = λ₂/τ₂, τ₁ и τ₂ – размеры элементов сопрягающихся структур,

- коэффициент усиления перемещения и диапазон при нониусном сопряжении рассчитать аналитически можно только в двух частных случаях:

при q – p = 1 (λ₁/λ₂ = q/p, q,p – взаимно простые числа) K = λ₁/( λ₁ – λ₂)

при q – p = 2 и р – нечетное число K = (p +1)q/2-1

а в остальных случаях необходимо использовать предложенный алгоритм расчета с помощью ЭВМ.

Описание взаимодействия двух структур легко обобщить на произвольное число:

где

Правая часть последнего уравнения задает некоторую уточненную выбором f*, q1, q2 операцию на В1, В2. Обозначим ее через , тогда вся система преобразований в целом описывается обобщенным уравнением преобразований:

где: - выходная величина, - интегральная вольтовая или токовая чувствительность фотоприемника; - параметр, связанный с собственной постоянной времени фотоприемника; , где - множество, описывающее геометрическую форму углового поля зрения; - тип взаимодействия очередной пары элементов преобразования, определенный соответствующей функцией и величиной .

Полученное обобщенное уравнение ИКИК позволяет с точки зрения различных типов физического взаимодействия анализировать подавляющее большинство ОЭК рассматриваемого класса

На вход ИКИК поступает смесь сигнала a(t) и помехи e(t), которая может быть аддитивной: f(t)=a(t)+e(t), мультипликативной: f(t)=a(t)*e(t), смешанной: f(t)=a(t)e(t). При этом для большинства объектов управления наиболее характерна аддитивная помеха.

Результат измерительных преобразований в аппаратных средствах ИКИК в операторной форме можно представить в виде:

y_i^*(t) = R_М*R_З*R_Ф*R_П*R_К*R_Д*R_У*R_O*f_i(t) ,

где: y_i^*(t) - результат, полученный в i-ом измерительном преобразовании, R_М - оператор масштабирования, , R_З - оператор нормализации и записи кодовой комбинации в память, R_Ф - оператор фотоэлектрического преобразования, R_П - оператор передачи оптического кода по световолоконной линии связи, R_К - оператор квантования, R_Д - оператор дискретизации непрерывного входного воздействия, R_Y - оператор оптического усиления, R_O - оператор модуляции, f_i(t) - входное воздействие в i ом преобразовании.

Операцию выделения измеряемого информационного параметра можно в общем виде представить в виде следующего функционала:

(t-) = R_b ,

где: R_b - выбранная линейная или нелинейная функция от вычисления набора сверток, - задержка (например, время счета в ВУК), - обозначение операции свертки, (a,b) - интервал измерений, g_n() - базисные функции, зависящие от выбранного метода цифровой фильтрации и параметров сигналов и помех.

Вводя описание всех операторов и объединяя два последних уравнения, получим следующее обобщенное уравнение измерительного преобразования в ИКИК:



_*



'

где: m_f =f_max/2ⁿ коэффициент масштабирования,

τ _у , τ_оку - время запаздывания в оптическом усилителе(ОУ) и в оптическом кодирующем устройстве (ОКУ) соответственно,

Δk = x_max/2ⁿ - интервал квантования,

x_max - максимальное значение воздействия на входе ОКУ или верхняя граница динамического диапазона,

п - разрядность ОКУ,

q - число отбрасываемых разрядов.

Полученное уравнение может служить основой для проведения метрологического анализа исследуемых ИКИК с определением причин возникновения погрешности.

Теоретический анализ динамических погрешностей преобразования в ИКИК связан с труднопреодолимыми сложностями вычислительного характера. Поэтому анализ этих погрешностей в ИКИК целесообразно проводить с помощью имитационного моделирования на ЭВМ. При этом следует иметь ввиду, то что динамические погрешности вносят в полную погрешность незначительную часть из-за малой инерционности блоков оптической обработки информации.

Cтатическую компоненту полной погрешности можно разбить на две составляющие: на погрешность цифрового представления или округления, обусловленную наличием квантования по уровню и связанного с этим конечного числа разрешенных уровней, и на инструментальную погрешность.

Наибольший интерес представляет инструментальная (случайная) погрешность, которая появляется из-за шумов и помех, как во входном сигнале, так и в элементах ИКИК, и из-за технологических отклонений в элементах ИКИК, возникающих при изготовлении и эксплуатации ИКИК.

Анализируются инструментальные погрешности таких основных блоков ИКИК, как модуляторы, усилители перемещений, волоконно-оптические линии связи, оптические колирующие устройства и интерфейсные блоки. Получены формулы для вычисления инструментальных погрешностей для наиболее распространенных типов этих блоков и показано, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители перемещения и волоконно-оптические линии связи.

Установлено, что для муарового, и для нониусного типов сопряжений, как линейных, так и угловых, используемых в усилителях перемещения, критичными параметрами являются период следования щелей растров. Численные оценки показывают, что допуски на величины периодов составляют единицы процентов от номинала для 6-8 разрядных сопряжений. Для линейных сопряжений критичны наклон (перекос). Оценки дают величину допусков на эти отклонения порядка единиц и долей единиц градусов, Ширина щелей менее критична по допускам - до 20 процентов от номинала.

Для оптических кодирующих устройств в муаровых растрово-кодовых сопряжениях необходимо учитывать допуски на высоту и период окон, а в нониусных - на их ширину. Изготовление растрово-кодовых сопряжений требует весьма высокой точности как собственно изготовления, так и сборки, а наиболее подходящими технологиями для соблюдения всех этих требований являются оптоволоконная и интегрально-оптическая.

В связи с тем, что в процессе изготовления оптических кодирующих устройств (ОКУ) размеры его элементов получаются с некоторой случайной погрешностью, то при кодировании положения комбинационных полос, падающих на поверхность ОКУ, возникают ошибки кодирования. Кроме того, ошибки кодирования могут возникать из-за случайных отклонений в параметрах самих комбинационных полос. Поэтому целесообразно оценить максимально возможные ошибки кодирования из-за действия указанных факторов.

Получены формулы для вычисления ошибок кодирования, которые могут быть значительно уменьшены при использовании ОКУ с парафазным сигналом на выходе, подаваемым после прохождения через блок фотоприемников на блок компараторов. При этом ОКУ должен состоять из двух частей, в одной из которых элементы расположены согласно прямого кода, а в другой – согласно обратного.

Рассмотрен расчет суммарной погрешности модуляторов при воздействии нескольких коррелированных возмущений, позволивший получить формулы и правила расчета погрешностей аналоговых блоков ИКИК.

В четвертой главе изложена методика проектирования интерференционно-кодовых измерительных каналов, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

Приведены формулы для расчета параметров блоков ИКИК, указаны их основные типы и рекомендации по применению, а так же показаны примеры расчета параметров.

Модулятор является ключевым элементом при расчете ИКИК, так как от его типа и параметров зависят типы и параметры всех остальных элементов оптического тракта. Проведенный анализ показал, что по основным параметрам (время измерения, диапазон, разрешение) модулятора нельзя однозначно выбрать тот или иной его тип. Поэтому в большинстве случаев необходимо привлекать дополнительные критерии, характеризующие технологические особенности изготовления, такие, как трудоемкость, приспособленность уже имеющегося производства, наличие и доступность материалов и комплектующих, стоимость изготовления и ряд других, специфических для предполагаемого изготовителя условий. Задача расчета параметров модуляторов сводится фактически к определению их геометрических параметров с учетом исходных данных и ряда физических ограничений.

После выбора модулятора и расчета его параметров можно перейти к выбору типов фотоприемников и излучателя, который сводится к выбору пары, обеспечивающей достаточный сигнал по интенсивности на входе фотоприемника и требуемое быстродействие преобразования оптического сигнала в электрический. У выбранного типа источника света мощность должна быть выше минимально допустимой, а длина волны излучения (или спектр) должна соответствовать рабочей длине волны (спектру) фотоприёмника. Если рассчитанная минимально допустимая мощность оказывается выше, чем мощность любого, пригодного к использованию в ИКИК источника света, то приходится изменить первоначально выбранную оптическую схему.

После выбора модулятора может оказаться, что квант перемещения комбинационной полосы или луча света на выходе модулятора меньше допустимого размера элемента оптического кодирующего устройства (ОКУ). Это может быть либо из-за ограниченных технологических возможностей изготовителя, либо из-за нежелательности дифракции света за элементом ОКУ. Чаще всего такая ситуация возникает при использовании дефлекторного модулятора.

В этом случае перед ОКУ устанавливают либо усиливающую оптическую систему из линз, либо оптический усилитель перемещения (ОУП) одного из двух типов: муаровый (МОУП) или нониусный (НОУП). В последнем случае, если в проектируемом ИКИК используется дефлекторный модулятор, то за ним устанавливают формирователь светового растра, который луч света за модулятором расщепляет на ряд лучей, либо с помощью оптического делителя, либо с помощью сканирующего звена с прерывателем. Причем второй тип формирователя целесообразно использовать в ИКИК, когда первый не подходит из-за слишком больших потерь света в нем, что наблюдается при числе разрядов уже больше пяти (n>5), либо при преобразовании таких динамических параметров, как скорость перемещения или вращения, частота, момент и др.

При выборе типа ОУП можно исходить из следующих соображений. МОУП имеет меньший коэффициент усиления, чем НОУП. Однако у него нет зоны нечувствительности. Поэтому МОУП целесообразно использовать всегда, когда он обеспечивает необходимый коэффициент усиления.

При выборе типа оптического кодирующего устройства (ОКУ) следует учитывать, что среди неуправляемых ОКУ наиболее часто используются кодовые маски и волоконно-оптические кодирующие устройства (ВОКУ). При этом самыми дешевыми ОКУ являются фото кодовые маски. Однако они имеют малый срок службы. Среди управляемых ОКУ наиболее часто используются пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) на жидких кристаллах (ЖК). Акустооптические ПВМС значительно сложнее и дороже. Для управления оптически управляемыми ПВМС необходимо использовать когерентные источники света, что делает их дороже электрически управляемых. Однако, если в ИКП один и тот же лазер можно использовать и в качестве источника света, несущего информацию, и в качестве управляющего устройства ПВМС, то оптическое управление ПВМС становится эффективнее электрического. Среди оптически управляемых ПВМС для ОКУ наиболее пригодны ПВМС на структурах ФП – ШК и МДП – ЖК.

После вычисления размеров ОКУ может оказаться, что полученные значения меньше допустимых, которые должны быть как минимум на порядок больше достижимой точности линейных размеров ОКУ. Если это действительно так, то надо либо увеличить размеры комбинационной полосы на входе ОКУ, либо подобрать другой тип ОКУ. Чаще всего оказывается недостаточной длина комбинационной полосы. Ее увеличение можно осуществить, как было показано ранее, с помощью оптической системы из двух цилиндрических линз

Блок фотоприемников (БФП ) целесообразно выполнять в виде линейки лавинных фотодиодов, обладающих наиболее высоким быстродействием. Обычно для повышения точности работы в схеме ИКИК используются прямой и инверсный оптические коды. Поэтому после ОКУ устанавливают два одинаковых БФП, выходы которых подключают к компараторам формирователя нормированных сигналов.

Перед тем, как определить габариты БФП целесообразно уточнить соответствуют ли параметры выбранного ранее типа фотоприемника минимальному уровню сигнала на его входе. Для этого уточняется значение требуемой мощности источника света с учетом полученного максимального уменьшения светового потока в оптическом тракте проектируемого ИКИК. Если полученное значение мощности излучения превышает возмож­ности источника света, то необходимо либо подобрать более мощный источник, либо подобрать более чувствительный тип фотоприемников.

Выбор структуры и составных элементов электронной части ИКИК базируется на выборе подхода к организации взаимодействия измерительного канала с другими системными элементами ВУК и, прежде всего, с ЭВМ, а также на выборе принципа построения материальных связей между ними.

В последнее время при построении ВУК используется магистрально-модульный принцип формирования измерительной части ВУК, основанный на использовании какого-либо стандартного измерительного интерфейса, в сочетании с использованием специальных модулей (контроллеров) для взаимодействия с ЭВМ. При этом по мере укрупнения измерительных модулей и расширения их функциональных возможностей за счет использования сверхбольших интегральных микросхем и микропроцессоров, число нормируемых параметров сопряжения сокращается, увеличивается унификация и соответственно сокращается номенклатура измерительных интерфейсов, рекомендуемых к употреблению.

В настоящее время наиболее применяемыми являются измерительные интерфейсы типа VME и VXI, ориентированные на микропроцессоры фирмы Motorola, а также типа Multibus и их последующие варианты развития, ориентированные на микропроцессоры фирмы Intel. При этом интерфейс VXI вобрал в себя лучшие черты стандартов HP-IB (IEEE-488) и VME и сейчас является одним из самых популярных стандартов.

Очевидно, что структура электронной части ИКИК должна ориентироваться на магистрально-модульное построение ВУК с использованием стандартного измерительного интерфейса, предпочтительно одного из перечисленных трех типов, в зависимости от типов микропроцессоров, используемых в ЭВМ, самих ИКИК и контроллеров. Конструктивные, входные и выходные электрические параметры электронного блока ИКИК определяются выбранным интерфейсом. При этом независимо от типа интерфейса структура электронной части ИКИК должна содержать блок нормализации кодов (БНК), блок формирования функций (БФФ), блок управления (БУ), блок памяти (БП) и дешифратор команд (ДК). БУ целесообразно строить на базе микропроцессоров типа Intel или Мotorola, в зависимости от выбранного ранее типа измерительного интерфейса. При этом блоки ДК и БП целесообразно выбирать из того же микропроцессорного набора. Инструментальные погрешности указанных блоков определяются разрядностью шин данных и, как правило, могут не учитываться ввиду их малости.

В приложении 1 изложены принципы моделирования типового оптико-электронного измерительного канала, описаны компьютерные и физические модели типового канала оптико-электронной системы контроля смещений элементов ЗС РТ-70 и приведены результаты моделировния, подтверждающие основные теоретические выводы.

В приложении 2 приедены акты внедрения результатов диссертационной работы, подтверждающие их практическую полезность.

Основные результаты работы:

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

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

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

• 
  погрешность преобразования вводимой физической величины в пределах от 0,2 % (число разрядов 8) до 1 % (число разрядов 6);
  
• 
  порог чувствительности по перемещению от 0,1 мкм при использовании интерференционных модуляторов и по напряжению от 10 мкV при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов;
  
• 
  диапазон преобразуемых входных воздействий по перемещению от единицы и десятков мкм при использовании интерференционных модуляторов до десятков и сотен мм при использовании растровых модуляторов, а по напряжению от десятков мкV при использовании электромеханических дефлекторных модуляторов до сотен кV при использовании электрооптических дефлекторных модуляторов.
  

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

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

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

1. 
   Городецкий А. Е., Тарасова И. Л., Артеменко Ю. Н. Интерференционно-кодовые преобразованияю.- Спб.: Наука, 2005.- 472 с.
   
2. 
   Городецкий А. Е., Козлов В. В. , Артеменко Ю. Н., Тарасова И. Л. Вычислени в системах управления: Учеб. пособие. СПб.: СПбГПУ, 2006.- 463 с.
   
3. 
   Artemenko U. N., Gorodetsky A. E., Dubarenko V. V., Kuchmin A. U. The Problems in Visualisation of Cosmic Millimeter Radiowave Sources./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2005. Kyiv, Ukraine
   
4. 
   Artemenko U. N., Gorodetsky A. E., Dubarenko V. V., Kuchmin A. U., Gimmelman V. G. Resolution Increase of Millimetric Range Radiotelescope RT-70./ 5th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 24-27 May, 2005. Kyiv, Ukraine
   
5. 
   Артеменко Ю. Н., Парщиков А. А. Радиотелескоп на плато Суффа. Ход работ по корректировке проекта. / Всероссийская астрокосмическая конференция ВАК-2004 «Горизонты Вселенной», МГУ, М., 2004.
   
6. 
   Парщиков А. А., Артеменко Ю. Н. Конструктивные особенности адаптивного миллиметрового радиотелескопа РТ-70. / Всероссийская астрокосмическая конференция ВАК-2004 «Горизонты Вселенной», МГУ, М., 2004.
   
7. 
   Мельников Ю.Е., Анисименко В. М., Артеменко Ю. Н. Донской Ю. К. Проект завершения строительства Международной радиоастрономической обсерватории на плато Суффа в Республике Узбекистан. Журнал «Бюллетень строительной техники» № 1, 2006.
   
8. 
   Артеменко Ю. Н., Егоров Ю. Г., Парщиков А. А., Смирнов С. В. Инерциальная система ориентации зеркальной системы радиотелескопа. /1-я Российская мультиконференция по проблемам управления, 10-12 октября 2006 г. Санкт-Петербург.