ICARA 2012 (Italian Congress of Amateur Radio Astronomy) Presentazione sull'attività di rilevamento, con tecniche radio, dell'attività meteorica. Autori: IV3GCP, Giovanni Aglialoro; IV3NDC, Massimo Devetti

1. ICARA 2012 - Colle Leone (TE), 27-28 ottobre 2012
Radiometeore, oggi
Giovanni Aglialoro,
IV3GCP
Massimo Devetti,
IV3NDC
1

2. Osservazioni del Flusso Meteorico
con tecniche radio
Un Meteoroide, a causa del campo gravitazionale terrestre, entra nella
nostra atmosfera a velocità di decine di km/s.
Appena esso incontra strati gassosi sufficientemente densi, si riscalda
per attrito, evaporando in superficie ( processo di ablazione ).
Gli atomi così liberatosi collidono con gli atomi di gas circostante.
L’elevata energia (in particolare cinetica) associata al Meteoroide si
trasforma quindi in:
-Radiazione nello spettro visibile
-Aumento di temperatura
- Ionizzazione delle particelle
circostanti
2

3. Il flusso meteorico “normale” (Meteore Sporadiche) presenta
variazioni giornaliere e stagionali.
Oltre a ciò, in certi periodi dell’anno l’orbita terrestre interseca
“Streams” ad alta densità di Meteoroidi (Sciami di Meteore).
Quali sono le tecniche osservative applicabili al
flusso meteorico?
Visuale
Fotografica
Telescopica
Video
Radio
3

4. Le osservazioni delle Meteore con tecniche radio si
basano sul principio del Meteor Scatter
Il passaggio di un meteoroide in atmosfera lascia una scia di gas ionizzato che
diffonde o riflette (per un certo intervallo di tempo, proporzionale al quadrato della
lunghezza d’onda incidente) le onde radio ad essa incidenti, su frequenze ove
normalmente non è possibile la ricezione oltre l’orizzonte radio.
Sintonizzandosi su una frequenza ove irradia un trasmettitore noto (il cui segnale
normalmente non è ricevibile), il passaggio di una meteora è segnalato da un eco
del segnale proveniente dal trasmettitore considerato.
4

5. L’osservazione con tecniche radio permette di svincolarsi da
una serie di limitazioni, proprie delle precedenti metodologie:
• Imprecisione dell’osservatore umano
• Impossibilità di osservazioni diurne
• Dipendenza dalle condizioni climatiche
• Inquinamento luminoso
• Dinamica strumentale (osservazione delle sole meteore visibili)
Le osservazioni radio, pur soffrendo di una serie di altre
limitazioni, costituiscono tuttavia uno dei metodi più
efficaci per lo studio delle meteore, e sono adatte in
particolare a sessioni osservative su lungo periodo.
5

6. Meteor Back Scatter Observations
(Radar Meteorici Attivi)
Meteora
Antenna Radar
6

7. Forward Meteor Scatter Observations
Meteora
D
Trasmettitore Ricevitore
A differenza della tecnica precedente, tipica dell’ambito
accademico e professionale, la tecnica osservativa basata sul
Forward Meteor Scatter è alla portata dei ricercatori amatoriali,
qualora si utilizzi un trasmettitore preesistente. Questo tuttavia
deve essere scelto sulla base di opportune specifiche.
7

8. Caratteristiche del Trasmettitore Ideale per F.M.S.O.
• Sufficientemente distante da non essere normalmente ricevibile
via Tropo ( typ. D>600 Km )
• Non troppo distante da non consentire lo Scattering meteorico,
per motivi geometrici ( D<2200 Km )
• Frequenza di trasmissione nota e non interferita da altre
emittenti
• Operante in continuità senza interruzioni di servizio
• Segnale trasmesso di caratteristiche invarianti nel tempo ( es:
portante non modulata )
• Frequenza operativa che non permette forme propagative tali da
consentire la ricezione (ad eccezione del M.S.): Gamma VHF
• Potenza di trasmissione sufficientemente elevata, Radiation
Pattern dell’antenna non sfavorevole
8

9. Frequenza operativa scelta: 55,052 MHz
(Portante Video DR1, Fyn, Denmark)
Fino all'anno 2010
Video Audio Video Audio
Country City Station Coordinates HAAT (m)
(MHz) (MHz) ERP (W) ERP (W)
10-29E /
Denmark 55.0521 60.0521 Fyn DR 1 25,000 1,250 221
55-17N
Questo trasmettitore TV presentava caratteristiche ottimali in termini di:
- distanza dalla stazione ricevente ( ~ 1100 Km )
- potenza di uscita (25 KW ERP, Pattern omnidirezionale)
- operatività ( h24 tutto l’anno )
- immunità alle interferenze (non vi sono altri trasmettitori su freq. vicine)
9

10. Osservatorio Radio-meteorico
del Liceo Scientifico di Gorizia: configurazione fino al 2010
ANT. 4 el. Yagi
Reduction
Acquisition
& Analisys
ANT.
Preamp.
f = 55.05 MHz A/D
BOARD
ATT
AUDIO AGC
RX VHF
CONVERTER RECEIVER
IF = 149.05 MHz
LO
Data & Plots
94 MHz
10

11. Caratteristiche tecniche del sistema
Antenna: Yagi 4 elementi
f0 = 55 MHz, G = 6,5 dBd;
HPBW (a -3dB) =65°;
LNA: MosFet BF981,
G = 16 dB, NF = 1 dB;
11

12. Caratteristiche tecniche del sistema
Linea di discesa coassiale: 15 m di RG213
Step Attenuator: 50 Ω, 0,1 - 40 dB;
Up converter:
2x BF981 + mixer SBL1,
G = 20 dB, NF = 1,5 dB
Oscillatore Locale 94
MHz, uscita 40 mW
(+16 dBm);
12

13. Caratteristiche tecniche del sistema
Ricevitore IF: Yaesu FRG 9600 (uscita
audio, uscita AGC);
Scheda A/D: 8 bit Flytec FPC010
Computer: PC Pentium 133 MHz con
Windows 98 !
Software:
Automatic Meteor Counting System
13

14. Software di acquisizione
Rileva gli “echi” causati dall’ingresso di un meteoroide in
atmosfera e li associa ad eventi, che vengono registrati su
file di testo.
Il sampling combinato dei segnali AGC (Open Loop) e Audio
permette di determinare se un’aumento di potenza ricevuta è
dovuto a segnale utile (eco meteorico) o a rumore.
L’analisi del segnale audio permette anche, entro certi limiti,
un filtering nei conteggi (echi dovuti ad altri trasmettitori,
sufficientemente lontani in frequenza, non vengono
conteggiati).
14

15. Software di acquisizione
10 Hz Sampling
AGC (Open Loop) AUDIO
Autocorrelation
PWR Algorithm
YES
PWR > PwrThr ?
K > KThr ?
PwrThr =
NO
NoiseFloor + ΔPwr
NO YES
No Meteor
Detection Meteor Detection
No Signal / No Meteor Detection To counter
15

16. Software di acquisizione
Il coefficiente di Autocorrelazione K assumerà valore elevato solo se la
potenza del segnale audio è concentrata, in termini di spettro, attorno alla
frequenza del “Tono Audio” che ci aspettiamo di ricevere dal trasmettitore
lontano.
I Parametri NoiseFloor , ΔPwr e KThr sono impostabili all’inizio della
sessione di osservazione. Il loro valore definisce la “Sensibilità”
(Magnitudine Limite) del sistema di rilevazione e conteggio di eventi
meteorici.
In base alla tipologia di osservazione da effettuare (Meteore Sporadiche,
Sciami Minori, Sciami Maggiori o Meteor Storms) i parametri sopraccitati
(come l’attenuazione sulla catena di ricezione) vanno scelti nell’ ottica del
miglior compromesso tra Sensibilità ed Immunità ai disturbi.
16

17. Procedura di osservazione
1. Accensione del sistema ed eventuale setup
2. L’acquisizione è automatica; ogni 24 ore vengono generati 2 file (formato testo)
contenenti i dati acquisiti secondo diverse modalità; i file vengono aggiornati ogni 20
minuti
3. Trasferimento dei file al PC dedicato all’analisi; elaborazione con appositi tool (es.:
fogli Excel)
…una breve clip
del sistema in
azione
17

18. (riporta i conteggi del numero di Esempio di file generati
echi ad intervalli regolari di 20 min)
• Quiet Signal -125 dB
• Trigger Size 2 dB • tot 05 1 5 10 25long
• Audio Threshold 55 • dd mm yy hh mm ss dur met met met met met met met
• Max Ping Duration 8 * 0.1 sec • 19 4 7 11 27 59 1941 392 307 45 34 5 1 0
• Transmitter ID DR1 • 19 4 7 12 27 59 1540 455 390 39 21 5 0 0
• Frequency MHz 55.052 • 19 4 7 13 27 59 1220 394 330 42 21 1 0 0
• • 19 4 7 14 27 59 1256 400 328 49 22 1 0 0
RX Antenna 4elYagi
• 19 4 7 15 27 59 1080 334 278 31 25 0 0 0
• Antenna Beamwidth 65Degs
• 19 4 7 16 27 59 958 232 186 18 26 2 0 0
• Beam Azimuth 355Degs • 19 4 7 17 27 59 762 177 143 16 16 2 0 0
• Beam Elevation 5Degs • 19 4 7 18 27 59 526 142 119 11 11 1 0 0
• Minimum RX NF 2dB • 19 4 7 19 27 59 627 135 110 18 6 0 1 0
• Attenuation 12dB • 19 4 7 20 27 59 674 279 257 8 13 1 0 0
• 19 4 7 21 27 59 565 221 190 19 12 0 0 0
• <- MID TIME UT -> <------ COUNT -------> • 19 4 7 22 27 59 629 240 202 26 12 0 0 0
• DA MO YR HR MN SC FALSES PINGS METEOR • 19 4 7 23 27 59 1109 302 250 27 23 2 0 0
• ======== ======== ====== ====== ====== • 20 4 7 0 27 59 953 344 302 26 15 1 0 0
• 19 4 7 11 7 59 2329 125 139 • 20 4 7 1 27 59 678 270 236 23 11 0 0 0
• 19 4 7 11 27 59 1806 116 127 • 20 4 7 2 27 59 1056 390 344 27 18 1 0 0
• 19 4 7 11 47 59 1926 111 126 • 20 4 7 3 27 59 1126 404 352 27 25 0 0 0
• 19 4 7 12 7 59 1408 171 181 • 20 4 7 4 27 59 1498 436 375 30 29 1 1 0
• 19 4 7 12 27 59 1085 150 161 • 20 4 7 5 27 59 1163 392 329 39 23 1 0 0
• • 20 4 7 6 27 59 1285 435 382 25 27 1 0 0
19 4 7 12 47 59 803 108 113
• 20 4 7 7 27 59 1858 497 433 33 26 3 1 1
• 19 4 7 13 7 59 823 102 108
• 20 4 7 8 27 59 1836 538 456 50 29 2 1 0
• 19 4 7 13 27 59 595 150 159 • 20 4 7 9 27 59 1694 481 414 40 25 0 2 0
• 19 4 7 13 47 59 1038 120 127 • 20 4 7 10 27 59 2151 495 425 47 18 2 1 2
• 19 4 7 14 7 59 598 131 137
• 19 4 7 14 27 59 418 122 128
• 19 4 7 14 47 59 501 124 135 (raggruppa gli echi
• 19 4 7 15 7 59 360 112 118
• 19 4 7 15 27 59 646 97 107 in classi di durate,
• 19 4 7 15 47 59 602 100 109
• 19 4 7 16 7 59 620 95 106
su base oraria)
• 19 4 7 16 27 59 737 62 72
• 19 4 7 16 47 59 637 47 54
•
Esempio di elaborazione dati 18

19. Andamento giornaliero del flusso meteoritico
Source:
METEOR SCIENCE AND ENGINEERING,
D.W.R. McKinley 1961
Tale flusso ha variazioni stagionali e giornaliere, legate principalmente all’altezza del
punto di Apice celeste rispetto all’orizzonte: tale punto corrisponde alla regione di
atmosfera avente la massima probabilità di intercettare meteore. L’andamento del flusso
è in prima approssimazione sinusoidale, con massimo nelle prime ore nel mattino e
minimo in prima serata. Più intuitivamente, basta notare che proprio nelle ore mattutine
l’osservatore si trova sulla zona della Terra orientata nel verso di avanzamento del moto
orbitale terrestre; tale posizione consente di intercettare un maggior numero di meteore,
con la massima velocità relativa tra Terra e meteoroidi. 19

20. Verifica del flusso meteorico giornaliero
Uncorrected Total Counts - 3/4 Oct 2007
500
450
400
350
Conteggi
RHR (Counts/Hour)
300
250
Linea di tendenza
200
150
100
50
Oct. 3 Oct. 4
0
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
11 Local Time
20

21. Osservazioni su base continuativa
Il generico conteggio rileva il flusso giornaliero di meteore sporadiche,
con sovrapposti eventuali sciami
Uncorrected RHR - 8/14 Oct. 2007
700
Total counts
600
500
RHR (Counts/Hour)
400
300
200
100
0 Local Time
12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12
Oct. 9 Oct. 10 Oct. 11 Oct. 12 Oct. 13 Oct.14
Oct.14
21

22. Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007
Predicted Peak: Sept. 1, 11.33 UT ± 20 min. (Jenniskens/Lyytinen)
Uncorrected Hourly Counts / a-Aurigids 2007
900
AUR Outburst
Underdense
800 Total
Overdense
700
Uncorrected RHR (counts/hour)
600
500
400
300
200
100
0 Time UT
8 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 9
29 Aug. 30 Aug. 31 Aug. 1 Sept. 2 Sept. 3 Sept. 4 Sept.
22

23. Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007
a-Aurigids 2007 - Duration Distribution
900
800
700
600
d> 25 s
10 s <d< 25 s
500
5 s <d< 10 s
RHR (Counts/Hour)
1 s <d< 5 s
400
0.5 s <d< 1 s
300 d< 0.5 s
Total Counts
200
100
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 Duration classes (s)
12 13 14
Hours (Local Time) 15 16 17
18 19 20
Sept 1, 2007 21 22 23
Bright Meteors
23

24. Osservazione di sciami: Funzione di Osservabilità
Approximate Observability Function - Gorizia to Fyn - Lyrids 2007
1
0.9
La rilevazione, e la
0.8
successiva
0.7
“estrazione” di un
0.6
determinato sciame
Efficiency %
0.5 dal flusso giornaliero
0.4 si effettua una volta
0.3 nota la Funzione di
0.2
Osservabilità, relativa
0.1
allo sciame
0
considerato (oltre che
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Local Time
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 funzione del tempo e
della geometria di
Tale funzione dipende principalmente dall’altezza
del Radiante dello sciame rispetto l’orizzonte, e tratta).
dalla direzione reciproca (in Azimut) tra stazione
TX, RX e Radiante, in funzione del tempo.
In prima approssimazione, il massimo di “Efficienza
Radio” si ha per un altezza del radiante
sull'orizzonte pari a 45°, e quando la direzione del
Radiante è ortogonale alla direzione di tratta radio.
24

25. Osservazioni di sciami: Liridi 2009
Lyrids 2009 - Raw Total Counts
300
250
200
RHR (counts/hour)
150
100
50
0
20,4 21,4 22,4 23,4 24,4 25,4 26,4 27,4 28,4 29,4 30,4 31,4 32,4 33,4 34,4 35,4 36,4 37,4 38,4 39,4 40,4
Apr Solar Longitude (J2000) Apr 22 Apr 30
10
[M. Sandri, M. Devetti, G. Aglialoro – 2009]
25

26. Calcolo del Profilo Radio
Sottrazione Correzione
Del per altezza
Background del Radiante
(Meteore
Sporadiche)
Correzione per
direzione
(Azimuth) del
Radiante
26

27. Corrected RHR (Meteor / Hour)
100
120
140
160
180
20
40
60
80
0
29,896974
30,019008
30,141042
30,263076
30,38511
30,507144
30,629178
30,751212
30,873246
30,99528
31,117314
31,239348
31,361382
31,483416
31,60545
31,727484
31,849518
31,971552
32,093586
32,21562
32,337654
32,459688
32,581722
32,703756
32,82579
32,947824
33,069858
33,191892
33,313926
33,43596
Solar Longitude (J2000.0)
33,557994
2009 LYR Radio Activity Profile
33,680028
33,802062
33,924096
34,04613
34,168164
34,290198
34,412232
34,534266
34,6563
34,778334
34,900368
35,022402
35,144436
35,26647
35,388504
Profilo di Attività Finale
35,510538
35,632572
27

28. Corrected RHR (Meteor / Hour)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
29,896974
30,019008
30,141042
30,263076
30,38511
30,507144
30,629178
30,751212
30,873246
30,99528
31,117314
31,239348
31,361382
31,483416
31,60545
31,727484
31,849518
31,971552
32,093586
32,21562
32,337654
32,459688
32,581722
32,703756
32,82579
32,947824
visuale (dati IMO)
33,069858
33,191892
33,313926
33,43596
Solar Longitude (J2000.0)
33,557994
2009 LYR Radio Activity Profile
33,680028
33,802062
33,924096
34,04613
nel “radio” (by Cosmic Noise team)
34,168164
34,290198
34,412232
34,534266
34,6563
34,778334
34,900368
35,022402
35,144436
35,26647
35,388504
35,510538
35,632572
28
Confronto con osservazioni visuali
LYR 2009
Maximum
osservazioni
Apr. 22, 09 UT
visuali e radio
(Λsol = 32° 245)
according to IMO:
Ottimo accordo tra

29. La postazione di rilevamento…
Amateur Radio Station
IV3RZM
Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi
piazza Divisione Julia 5 - 34170 GORIZIA
QTH: 45° 56’ 17’’ N - 13° 37’ 04’’ E
World Wide Locator: JN65TW
Region 1 - CQ zone: 15 - ITU zone: 28
29

30. Il Progetto Radiometeore al
Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi
di Gorizia
Rilevare la presenza di meteore e le variazioni
dell’attività meteoritica con l’uso di tecniche radio,
a fini didattici e scientifici.
Alcuni allievi presentano l’attività
a ICARA 2007, Brasimone (BO) 30
IV3EZM, Gabriele IV3NDC, Max

31. Sviluppi futuri
• Caratterizzazione completa del sistema ricevente: stima della Magnitudine
Limite in diverse condizioni, determinazione del valore ottimale di attenuazione
per il miglior compromesso sensibilità/accuratezza, ecc…
• Applicazione di algoritmi per la riduzione / correzione dei dati rilevati (Dead
Time, Sporadics subtr., Observability function…)  software per la stima del
profilo di attività dello sciame secondo i parametri del nuovo impianto
• Totale automatizzazione delle procedure di acquisizione e plotting,
remotizzazione, conteggi disponibili in real-time via web…
• Cambio di frequenza operativa: 143.050 MHz (Radar di Graves, French Space
Surveillance System) dato che …
31

32. Sviluppi futuri
Con lo Switch-Off della TV analogica, in buona parte d’Europa, si sono chiusi
quasi tutti i trasmettitori TV nelle basse VHF (banda I, 45-65 MHz), il settore
dello spettro più adatto alla ricezione di echi radio meteorici.
In alcuni paesi dell’Europa orientale la TV analogica è ancora in uso su
queste bande, ma i trasmettitori purtroppo non sono attivi durante la notte.
es.:
49.749.823 - 849 KN68 Kryvyi Rih, Ukraine
49.750.000 KO33 Minsk, Belarus
32

33. Il Radar bistatico di Graves (143.050 MHz)
E’ pertanto necessario orientarsi verso l’osservazione di altri sistemi
trasmittenti: tra questi, il più adatto per i nostri scopi sembra essere il radar di
Graves (French Space Surveillance System), un radar ad onda continua per
l’osservazione di satelliti nell’orbita terrestre.
Location: Broye-lès-Pesmes (Dijon) 47.348°N 5.515°E WWLocator: JN27SI
33

34. Il Radar di Graves (143.050 MHz)
34

35. Il Radar di Graves (143.050 MHz)
TX sequence = 1,6 s
35

36. Il Radar di Graves: criticità
• Diagramma di Irradiazione tempo-variante (Phased Array):
anche la funzione di osservabilità dipende dal tempo (notevole
complicazione in fase di riduzione e correzione dei dati)
• Alcuni echi meteorici rischiano di essere “troncati” a causa
del beam steering: sottostima della durata dell’eco
• Impossibilità, in tante aree del nostro Paese, di applicare la
tecnica osservativa del Forward Scatter a causa della distanza
e della direzione di puntamento (in azimuth) del radar: uso dei
modelli di Back Scatter e Side Scatter
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37. testi di riferimento, web-links, ringraziamenti …
D.W.R. McKinley, “Meteor Science and Engineering”, 1961
International Meteor Organization: www.imo.net
Frequenze TV europee: http://www.g0che.co.uk/tv_info.php
Make More Miles on VHF: www.mmmonvhf.de
Radar Graves: http://www.itr-datanet.com/~pe1itr/graves/
Liceo Sc. Duca degli Abruzzi di Gorizia:
www.isisalighieri.go.it/duca/iv3rzm.html
IV3GCP, Jan, iv3gcp@cosmicnoise.org
IV3NDC, Max, iv3ndc@gmail.com
Un ringraziamento …
a Gabriele Brajnik (IV3EZM), Marco Aglialoro,
Chiara Corriga, Chiara Pizzol, Simone Kodermaz;
alle classi 5D, 5C (dal 2005).
37

38. Come ricevere gli
echi meteorici:
strumenti e tecniche
ovvero…
-- Radioricevitori
-- Antenne
-- Accessori
-- Frequenze
Giovanni Aglialoro, IV3GCP
38

39. Radioricevitori
Oggi anche con
ricevitori (scanner) di
dimensioni contenute
si può ricevere quasi
tutto lo spettro radio!
Sono disponibili anche ricevitori
SDR (Software Defined Radio)
in cui molte funzioni che prima
venivano svolte dai circuiti interni
della radio ora sono affidate al pc
ad essa connesso.
GNU Radio è un progetto HW/SW con
una vasta libreria di strumenti per costruire
SDR con la programmazione in linguaggio
Python.
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40. Antenne filari
Dipolo (R=75 Ω)
L (m) = 142,6 / f (MHz)
Inverted V (120° R=50 Ω)
L (m) = 141,9 / f (MHz) 40

41. Antenne direttive
Le più diffuse sono le classiche Yagi;
il guadagno, il lobo di radiazione, il
rapporto avanti/retro, ecc. dipendono
fondamentalmente dalla distribuzione
degli elementi a dipolo sulla relativa culla.
41

42. Cavi coassiali, connettori
Dato che la maggior parte di
antenne hanno impedenze vicine ai
50 Ω i cavi coax maggiormente usati
sono:
RG213 - RG8 - RG58
Connettori: N PL259 BNC
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43. Quali frequenze?
principalmente queste (ma non solo)...
Channel Frequency (MHz) Locator ID Location
R1 49.749.823 - 849 KN68 INTER Kryvyi Rih, Ukraine
R1 49.749.977 KP50 1TV St Petersburg, Russia
R1 49.750.000 KO33 BT Minsk, Belarus slight warbler
(polarizz. orizz.)
Graves Radar: 143.050 MHz - polarizz. verticale
43

44. testi di riferimento, web-links,…
Nerio Neri “Antenne - linee e propagazione”, C&C
Nerio Neri “Antenne - progettazione e costruzione”, C&C
Graves Radar http://www.itr-datanet.com/~pe1itr/graves/
Frequenze TV europee: http://www.g0che.co.uk/tv_info.php
Progetto OpenSource GNU Radio: http://gnuradio.org
Ettus Research (HW/SW per SDR): http://www.ettus.com/
Spectrum Lab (analizzatore di spettro): http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html
SpectranV2 (analizz. di spettro) e non solo …: http://www.weaksignals.com/
MakeMoreMiles in VHF: http://www.mmmonvhf.de/
Giovanni Aglialoro, IV3GCP, jan@cosmicnoise.org
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