Dicke-radiometri Auringon ei-termisiin radiosäteilymittauksiin

[ruperk]

Arvoisat radioastronomian harrastajat!

Näin eläkeukkona olisi suunnitteilla radiometrisysteemi Auringon ei-termisen radiosäteilyn mittaamiseksi 150,5-153 MHz taajuusalueella. Kun minulla tulee ensi vuonna 70 vuotta mittariin ja olen vuosikymmeniä ollut myös laiterakentelua harrastava radioamatööri, pyytäisin kommentteja seuraaviin ideoihin.

Rakensin 1980-luvun alussa Sky and Telescope-lehdessä olleen, radioastronomian professori G.W Swensonin artikkelisarjan ideoiden pohjalta Dicke-tyyppisen radiometrin ko. taajuusalueelle. Laitteisto pelasi hyvin, mutta nykytekniikan kannalta se olisi jo vanhentunut.

Nyt olisi tarkoitus uusia kyseinen laitteisto. Dicke-tyypin rakenne olisi edelleen lähtökohta, mutta ajattelin tehdä seuraavia muutoksia alkuperäiseen rakenteeseen.

1. Laitteen RF-osa olisi suora vastaanotin, jossa olisi 2 MHz edessä kaistanpäästösuodatin, keskitaajuus 151,5 MHz. Tätä seuraisi kahdesta Analog Devicen AD 5602 mikroaaltovahvistimesta tehty vahvistinpiiri, jonka teoreettinen vahvistus on yhteensä 38 dB. Tämän jälkeen ilmaisimena toimisi saman firman logaritminen vahvistin AD 8307, joka alkaa tuottaa signaalia jo -70 dBm signaalilla.Tuo vahvistin on minulla käytössä omatekoisessa RF-tehomittarissani ja se on todella hieno ja tarkka piiri.Ennen sisäänmenoa olisi shottky-barrierdiodeista tehty diodikytkin, jota ohjaa integrointiosasta saatava noin 300 Hz kellosignaali, sama, joka ohjaa laitteen vaiheilmaisinta.Kytkimen avulla verrataan antennilämpötilaa ja 50 ohmin keinokuorman lämpötilaa keskenään, eli laite kytkeytyy vuorovälein antenniin ja keinokuormaan.

2. Logaritmisen vahvistimen lähtösignaali johdetaan Dicke-vastaanottimen vahvistin+ integraattoriosaan. Tuo vanha Swenssonin piirikaavio sopii sellaisenaan, paitsi lähtövahvistimen signaalialue kannattaa skaalata välille 0... +12 VDC.

3. Piirturin asemasta lähtösignaali syötetään dataloggeriin. 0...30 V dataloggeri maksaa nykyisin luokkaa 60-70 euroa ja softa tulee mukana, eli itse rakentelu ei juuri kannata.

4. Dataloggerin raakadata syötetään PC:hen Excel-taulukoksi, jolloin se on käsiteltävissä haluttuun muotoon, esim. graafiseksi esitykseksi.

5. Antennina ajattelin käyttää 7-8 elementtistä omatekoista yagiantennia. Sen voi väsätä vaikka vanhan VHF-telkkariantennin osia hyödyntämällä. Tärkeää on, että antennia voidaan kiertää sekä vaaka-että pystypolarisaatioasentoon. Näin siksi, että Auringon synkrotronisäteilymekanismilla lähettämä kohina on osaksi polarisoitunutta.

Olisi mukava kuulla, onko joku muu testannut tällaista systeemiä.

harrastusterveisin Erkki Porista 

[mistral]

    Tervetuloa foorumille


En tunne tuota radioastronomiaa, joten esitän vain muutaman kysymyksen.
Muuttuuko kyseinen radiosäteily paljonkin voimakkuutensa ja polarisaationsa puolesta?
Pystyykö antennin suuntaamaan niin tarkasti että se "osuu" auringonpilkkuun?

[Mare Nectaris]

Rakensin 1980-luvun alussa Sky and Telescope-lehdessä olleen, radioastronomian professori G.W Swensonin artikkelisarjan ideoiden pohjalta Dicke-tyyppisen radiometrin ko. taajuusalueelle. Laitteisto pelasi hyvin, mutta nykytekniikan kannalta se olisi jo vanhentunut.

Nyt olisi tarkoitus uusia kyseinen laitteisto.

Asiasta mitään tietämättömänä, löytyi tällainen (tosin eri taajuusalueelle) : "Fletcher, Michael: A Microwave Dicke Radio Telescope for the Amateur" ja tällainen sivusto.

Lieneekö näistä mitään iloa?

[Meade-mad]

Artjärven viestiteknisen yhdistyksen väki on rakennellut tuollaisia (mm. edellä mainittu Fletcherin Michael). Porukassa on muitakin, mutta Michael on varmaankin kaikki syvimmällä jutussa. Kysele häneltä mielipidettä!

Linkki Michaelin kotisivulle:

http://www.kolumbus.fi/michael.fletcher/

Linkki ko.yhdistyksen sivulle:

http://www.viestikallio.fi/

Muistan nähneeni Viestikalliolla YAGI antennikokeiluja, jolla mitattiin Auringon säteilyä. Se mita mittasivat, on jo unohtunut.

jk

[ruperk]

Aluksi kiitos vastanneille!

Olen vuosikymmeniä ollut sekä radioamatööri että tähtitieteen harrastaja. Nuo molemmat harrastukset ovat vain muuttuneet "välineurheiluksi" siten, että elintason noustua ostetaan huippukalliita, tehdastekoisia laitteita, joista tieteenalojen ammattilaisetkin olisivat voineet vain haaveilla 50 vuotta sitten.

Kuulun itse sukupolveen, joka jo taloudellisten syitten takia käytti aikoinaan omatekoisia laitteita. Taivasta tiirailen 1970-luvulla valmistamallani 8-tuumaisella f/7 Newton-peiliteleskoopilla, johon tosin muutama vuosi sitten tein vesivaneerista dobsonjalustan vanhan ja huterahkon "TAL1"-tyyppisen metallijalustan tilalle. Radioamatööriasemani sisältää myös koko joukon omatekoisia laitteita. Niiden väsääminen pitää eläkeukon aivot ja hienomotoriikan edes jonkinmoisessa vireessä.Aurinkoa katselen silloin tällöin kokoaukkoaurinkosuodattimen läpi ko. teleskoopilla lähinnä pilkkumäärän selvittämiseksi.

Tuo radioastronominen kiinnostukseni Auringon ei-termiseen radiosäteilyyn pohjautuu paljolti radioamatööriharrastuksestani. Aurinkohan on ollut poikkeuksellisen pilkuton pitkään ja voisi olettaa, että tuo ei-terminen radiosäteily korreloi vahvasti radiokelien kanssa. Harrastelijan laitemahdollisuuksilla ei voi kilpailla Metsähovin laitteiston kanssa millimetrialueen tutkimisessa, mutta jonkun erikoisalueen voi valita ja Aurinko on havaittavissa läpi vuoden. Samahan koskee optista astronomiaa, supernovalöydöt ovat usein harrastajatähtitieteilijöiden tekemiä, samoin nuo keijusalamahavainnot yms. Eli käännyn tuon mainitun ekspertin puoleen kokemusten vaihtamiseksi. 150 MHz taajuudella ei voi erikseen tarkkailla yksittäistä auringonpilkkua, koska yagiantennin keilanleveys on luokkaa 20...30 astetta ja Auringon kulmahalkaisija on vain puoli astetta. Mutta Auringon kokonaissäteilyn voi mitata aivan hyvin. Jopa tuo mainitsemani RF-tehomittari tunnistaa Auringon aivan hyvin kun siihen kytkee yagiantennin ja suuntaa sen kohti Aurinkoa. Antennilämpötila ja saatava RF-teho  on selvästi suurempi kuin muualta taivaalta saatu lukema.

yst. harrastusterveisin Erkki Porista

[JoRy]

Kiva kuulla että joku muukin on Suomessa rakentanut tuon Sky&Telescopen skeman mukaisen Dicke-radiometrin.

Tein tuon samaisen radiometrin joskus 80-luvun lopussa ensin 110MHz 13-elementtiselle yagille ja myöhemmin 90-luvulla juuri Michaelin kanssa testattiin sen herkkyyttä hänen sivuillaan olevan lohkokaavion mukaisella laitteistolla taajuutena 11GHz.

Antennina oli 1,3m halkaisijainen satelliittipeili ja herkkyyttä riitti, käsisuuntauksella eli hyvin lyhyellä integrointiajalla systeemillä sai helposti löydettyä kuun sen lämpökohinan perusteella. Kuu on puolen asteen halkaisijallaan sopivasti tuon kokoisella antennilla/taajuudela sen keilan levyinen. Integrointiaikaa lisäämällä radiometrin mittarit sai kuun kohinalla menemään "tappiin".

Varsinaisten "syvän taivaan" radiokohteiden havaitseminen jäi silloin varsin ohueksi, muistaakseni Cygnus A:sta saatiin jonkunlainen havainto, mutta peilin halkaisijaa olisi pitänyt reilusti kasvattaa.

Viestikalliolla on nyt käyttökunnossa joka suuntaan moottoreilla kääntyvä 4m paraboloidi, ja se oikeastaan vaan odottaa radiometrin kytkemistä ja havaintojen aloittamista.

Tuo 150MHz taajuus on aika häiriöherkkää taajusaluetta ja kannattaisi miettiä, jos esim halpoja satelliittivastaanottimia ja -peilejä hyödyntäen menisi samantien 11-12GHz taajuusalueelle, jossa kaistaleveyttä saadaan lisää, suuntavuus paremmaksi ja häiriöt ovat paremmin kurissa.

Jos joskus olet käymässä Ursan Tähtikalliolla Artjärvellä, niin kannattaa samantien vierailla kerrosta ylempänä eli Viestikalliolla joka on siinä samalla mäellä, siellä on nämä antennit esillä. Itse asiassa jo huomenna 14.5.2011 siellä on aktiviteettipäivä ja Viestiteknisen yhdistyksen jäsenia paikalla.

Terveisin,
Jorma

[Mare Nectaris]

Tässä muuten vielä esimerkki "suuren maailman" radiometrisistä mittauksista: "Reduction and Analysis of Solar Radio Observations", jonka on tehnyt T. S. Bastian, NRAO.

P.S päättelin tuosta Michael Fletcherin HAM -tunnuksesta hänen olevan Suomessa - mutta enpä huomannut alkaa selvittää hänen kotisivujaan! Maailma on pieni - verkossakin.

[ruperk]

Hei!
Minulla oli sama kokemus 150 MHz taajuuden häiriöherkkyydestä 1980-luvulta. Sekä radioamatöörien 2 m lähetteet että meri-VHF-kanavat ovat aika lähellä ja sotkivat mittauksia. Minulla on kuitenkin käytössäni raskaan sarjan matematiikkaohjelma MATLAB ja olettaisin pystyväni sen avulla editoimaan raakadataa niin, että satunnaishäiriöt eliminoituvat.

Nyt on vain niin, että Auringon ei-terminen säteily on voimakkainta juuri VHF-taajuuksilla. Syntymekanismeja on kaksi, eli plasmavärähtely ja sitten synkrotronisäteily, kun elektronit kiertävät auringonpilkkujen magneettikenttiä enemmän tai vähemmän ympyrärataa pitkin. Synkrotronisäteily on osittain polarisoitunutta kohinaa ja mittaa käsittääkseni Auringon aktiivisuutta radiokelien muodostajana.

Jos menisin 11 GHz:lle, tuota ei-termistä säteilyä ei näkyisi. Radiometri tuntisi lähinnä Planckin säteilylain mukaisen mustan kappaleen säteilyn pitkäaaltoisen hännän, eli Auringon termisen säteilyn yhden osa-alueen. Sitten arvelisin, että kunnollinen havainnointi vaatisi tosi ison paraboloidiantennin. Olen aina pyrkinyt "huomaamattomiin" antenniratkaisuihin, eli minulla ei koskaan ole ollut tuollaista 40 m pituista mastohirvitystä maiseman pilaajana. Ei tuollainen iso peiliantennikaan mikään maiseman kaunistus olisi. Sensijaan 150 MHz yagiantennia maallikko ei juuri erota tavallisesta telkkariantennista, eli naapureiden kanssa sopu säilyy.

yst. terv. Erkki/OH1ZN

[Kaizu]

Voisiko ajatella että Auringon signaalia verrattaisiin keinokuorman sijasta kylmään taivaaseen. Se tosin vaatisi kaksi antennia mutta maanpäälliset, Dicken kytkimen taajuutta pidemmät häiriöt suodattuisivat suurimmalta osin pois.
Gigahertsitaajuuksille (n.10GHz) tein aikanaan sikarilaatikoista ja mikroaaltokytkimestä viritelmän jolla sain verrattua kohdetta ja taustataivasta 90 asteen päästä toisiinsa.
Siinä häiriöitä aiheuttivat silloin tällöin yli lentävät lentokoneet jos sattuivat laittamaan säätutkansa päälle.

Kaizu

[Mare Nectaris]

Voisiko ajatella että Auringon signaalia verrattaisiin keinokuorman sijasta kylmään taivaaseen.

Tuota "kylmän taivaan kalibrointia" ilmeisesti kuvataan tässä (laitemanuaalissa) sivuilla 24-26. Ja ilmeisesti siitäkin melkoista laskentatiedettä saa.

[Meade-mad]

Tässä tapauksessa erotuksen laskennasta ei tarvitse tehdä yhtään monimutkaisempaa kuin analogia summain hyötysignaalin ja taivaskanavan välille., kunhan molemmat vastaaotinlinjat ovat symmetrisiä.

jk

[ruperk]

Hei!

Kyllähän referenssitaivas tietenkin voisi toimia vertailukohinalähteenä. Asia on vain niin, että referenssitaivaan antennilämpötila ei ole vakio, vaan vaihtelee antennin suuntauksen mukaan.Tämä vaikeuttaa mittaustulosten analysointia.

Jos referenssilähteenä käytetään 50 ohmin keinokuormaa, saadaan referenssisignaalina (lähes) valkoista kohinaa seuraavan kaavan mukaisella teholla:
P=kTB.
Kaavassa k on Bolzmannin vakio, T keinokuorman absoluuttinen lämpötila kelvineinä ja B käytettävän vastaanottimen kaistanleveys (Hz). Keinokuorman antama kohinateho on siis riippumaton taajuudesta. Se riippuu vain käytettävän taajuuskaistan leveydestä, mikä voidaan vastaanottimessa asetella halutuksi, esim. 2 MHz arvoon. Tietysti keinokuorma tulee pitää vakiolämpötilassa, esim. huoneen lämpötilassa.

Laitteiston kalibrointiin voisi käyttää esim. Auringon jälkeen kahta taivaan radiotaajuuksilla kirkkainta lähdettä, nimittäin Cygnus A ja Cassiopeia A. Näiden lähteiden radiosäteily on myös lähellä valkoista kohinaa, eli voimakasta myös VHF-taajuuksilla ja ne on helppo löytää tähtikartan avulla taivaalta.. Mainittakoon, että radioastronomian varsinainen perustaja Groote Reber yritti alukis tuloksetta käyttää UHF-taajuuksia, muistaakseni noin 900 MHz taajuutta mittauksissaan. Tuon ajan aktiivikomponentit olivat aivan liian kohisevia näin korkealle taajuudelle. Kun hän hoksasi siirtyä 160 MHz taajuudelle, alkoi tuloksia syntyä ja Reeber teki ensimmäiset radiokartat taivaanpallosta vuonna 1943. Nuo kaksi mainitsemaani kirkasta lähdettä löytyivät myös Reeberin mittauksissa. Linnunratamme ydin Sagittarius A ei näy radiotaajuuksilla edes Etelä-Suomen leveysasteille. Auringon antennilämpötila vaihtelee monta dekadia hiljaisen Auringon ja "myrskyisän " Auringon välillä, eli päästäisiin absoluuttiarvoihin antennilämpötilamittauksissa.

harrastusterv. Erkki/OH1ZN