Flavio Falcinelli

Radioastronomia amatoriale

Uno sguardo sulle possibilità di ricerca per i radioastronomi dilettanti

Parleremo di…

Gli strumenti della radioastronomia: il radiotelescopio.

Possibilità operative della radioastronomia amatoriale.Come si costruisce un radiotelescopio amatoriale?

Analisi di un radiotelescopio total-power: i fattori importanti dai quali dipende la sensibilità strumentale.

Panoramica sulle reali possibilità di ricerca per il radioastronomo dilettante.

Flavio Falcinelli

Riproduzione delle registrazioni originali di Jansky del 16 Settembre 1932

Emissione radio dal centro della galassia

(Sagittario)

Spostamento della sorgente con le stagioni e coincidenza delle osservazioni dopo un anno: natura extraterrestre dell’emissione radio.

Se “ascoltata” in altoparlante, l’emissione radio si manifesta come un “soffio” o “sibilo” di rumore: origine naturale della radiazione.

Una delle prime mappe radio del cielo alla frequenza di 30 MHz:si nota l’addensamento delle emissioni in prossimità del centro della galassia

Piano galattico

Flavio Falcinelli

Mappa radio del cielo alla frequenza di 408 MHz

Miglioramento nella risoluzione spaziale nella misura dovuto all’utilizzo di grandi strutture di antenne.

Piano galattico

Flavio Falcinelli

Mappa del cielo alla frequenza di 432 MHz a bassa risoluzione(linee isoterme)

Mappa del cielo alla frequenza di 408 MHz ad elevata risoluzione(falsi colori)

Il cielo radio

Questo è il cielo che vedremmo se i nostri occhi fossero sensibili alle onde radio anziché alla onde luminoseFlavio Falcinelli

Radiosorgenti termine generico che indica tutti gli oggetti celesti responsabili delle radioemissioni.

Tali corpi, in funzione del loro meccanismo di emissione specifico e prevalente, possono esibire caratteristiche fisiche e radiative molto diverse uno dall’altro.

Radiotelescopio è lo strumento che consente di osservare, misurare e registrare il flusso di onde radio naturali emesse dalle radiosorgenti.E’ composto da un sistema di antenna, da linee di trasmissione che convogliano il segnale ricevuto ad un ricevitore, da dispositivi per l’elaborazione e la registrazione dei dati acquisiti.

La struttura comprende anche gli organi di controllo e di puntamento.

Flavio Falcinelli

Concettualmente un RADIOTELESCOPIO non ètroppo differente da un normale apparato ricevente per radiocomunicazioni, anche se alcune caratteristiche peculiari sono specializzate per garantire il corretto trattamento dei segnali ricevuti (sostanzialmente rappresentati da RUMORI).

Unità di misura della densità di flusso delle radiosorgenti:1 Jy = 1 f.u. = 10-26 W/(m2 * Hz)

chiamata JANSKY (Jy)

Principali radiosorgenti

Frequenza operativa del ricevitore RAL10 MICROWAVE RADIOMETER

A queste frequenze operative la radiazione solare è essenzialmente di natura termica (radiazione del “Sole quieto”).E’ possibile studiare il Sole con antenne di piccolo diametro.Alla componente termica del Sole sono spesso sovrapposti burst: studio dei flares solari a microonde.

Kraus, Radioastronomy

Emissione termica della Luna.E’ una radiosorgente relativamente “facile”, ricevibile con antenne di piccolo diametro.

Radiosorgenti “difficili”, ricevibili solo utilizzando antenne con diametro non inferiore a 3 metri.

Livello del segnale d’uscita che si misura puntando l’antenna verso il terreno:Teq = 290-300K

Livello del segnale d’uscita che si misura puntando l’antenna in una regione del cielo libera da radiosorgenti (di notte e verso il polo nord celeste):Teq = 10K

Procedura semplice ed immediata (…non di precisione assoluta!) per calibrare il sistema ricevente

Flavio Falcinelli

Le frequenze inferiori a 1 MHz sono assorbite dalle particelle cariche della ionosfera terrestre che funge da schermo per tutte le onde radio di frequenza inferiore a 10÷20 MHz. D'altra parte, la stessa atmosfera limita superiormente le frequenze utilizzabili (intorno ai 20 GHz) a causa dei fenomeni di assorbimento molecolare.

I grafici evidenziano l’intervallo delle frequenze utili per le osservazioni radioastronomiche da terra.Si vede come la “finestra spettrale” aperta dall’atmosfera terrestre sia quella compresa fra 10-20 MHz e 10-20 GHz.

Finestra radio e trasparenza atmosfericaLa “finestra operativa” è quella delle radioonde, limitata inferiormente dai noti effetti schermanti della ionosfera terrestre, superiormente dai fenomeni di assorbimento molecolare delle onde radio dovuti principalmente al vapore acqueo (con picchi di assorbimento alle frequenze di circa 22 GHz e 184 GHz) e all’ossigeno (con picchi di assorbimento a circa 60 GHz e 118 GHz).

I nemici della ricerca radioastronomica

-20

0

20

40

60

80

100

120

0.1 1 10 100 1000

10log 10 (T a/T o ), con T o=290°K[dB]

Frequenza f [MHz]

disturbo artificiale

giorno

notte

disturbo atmosferico

min.

maxrumore cosmico

Sono l’inquinamento elettromagnetico artificiale (sempre più diffuso) e l’appropriazione non autorizzata delle radiofrequenze riservate alla ricerca da parte delle emittenti commerciali.

I disturbi atmosferici ed artificiali sono molto importanti alle basse frequenze, mentre diventano trascurabili nella banda delle microonde.E’ per questo motivo che un piccolo radiotelescopio amatoriale a microonde può anche essere installato “sotto casa”.

Distribuzione sulla terra del rumore radio di fondo alla frequenza di 131 MHz.

Concentrazione del disturbo nelle zone più industrializzate.

Classificazione base dei meccanismi emissivi delle radiosorgenti:radiazione termica:

i segnali ricevuti sono più intensi alle frequenze elevate;radiazione non termica:

i segnali ricevuti sono più intensi alle basse frequenze.

Le sorgenti termiche emettono come corpi neri a temperatura costante ed uniforme e sono caratterizzate da un andamento del flusso crescente con la frequenza.Le sorgenti non termiche (molto più numerose) sono caratterizzate da un flusso decrescente con la frequenza ed irradiano generalmente per emissione di sincrotrone.

Flavio Falcinelli

E’ possibile la radioastronomia amatoriale?Quali sono gli strumenti utilizzabili?Uno sguardo sulle concrete possibilità di ricerca aperte ai radioastronomi dilettantie sulla strumentazione disponibile….

Flavio Falcinelli

Radioastronomia amatorialeE’ un’attività sperimentale dove singole persone o gruppi di appassionati (radioamatori, astrofili…) possono condurre interessanti attività, anche di supporto alla ricerca ufficiale.

E’ una disciplina che richiede un minimo di conoscenzein settori paralleli quali:

- fisica ed astrofisica (conoscenze teoriche di base)- astronomia (conoscenze teoriche di base)- elettronica (costruzione degli strumenti)- meccanica (costruzione degli strumenti)- informatica (acquisizione ed elaborazione dati).

Flavio Falcinelli

Il problema della strumentazione…Bisogna necessariamente essere esperti elettronici per fare radioastronomia amatoriale?

In commercio sono disponibili eccellenti strumenti astronomici, accessori, software e tutto il necessario per iniziare, a qualsiasi livello economico, la tradizionale attivitàdell’astronomo dilettante nella regione spettrale del “visibile”.

Esiste qualche proposta valida per la radioastronomia?

Flavio Falcinelli

TIPO di PROGETTO ATTREZZATURE LIVELLO DI CULTURA eNECESSARIE PRATICA in ELETTRONICA

Monitoraggio dei brillamenti Ricevitore VLF ed modesto (ricevitore ed antennaSolari in VLF antenna loop magnetica semplici ed economici)

Studi sulle meteore Ricevitore VLF ed antenna modesto (come sopra)

Tempeste radio di Giove Ricevitore e Dipolo HF buono (ricevitore non troppocomplesso, antenna semplice)

Ricezione total-powerdi radiosorgenti in banda Ricevitore HF-VHF ed buono (ricevitore relativamenteHF-VHF antenna complesso ed antenna complessa)

Radiometri in banda Preampli-RF a basso rumore buono-avanzato (ricevitoreUHF-SHF Ricevitori ed antenne SHF relativamente complesso ed antenna

ottimizzate complessa)

Rivelazione di Pulsar Preampli-RF a basso rumore avanzato (ricevitore complesso edRicevitori VHF-UHF ed antenna molto complessa)antenne ottimizzate

Radiointerferometria e Ricevitori multipli, array molto avanzato (notevole Mappatura di radiosorgenti di antenne e tecniche FFT complessità del sistema e degli

algoritmi di elaborazione)

Ricerche SETI Ricevitore SHF ed antenna avanzato (complessità del ricevitore,ottimizzati, algoritmi FFT dell’antenna e degli algoritmi di

elaborazione)

FACILE

DIFFICILE

Ascolto dei segnali radio alle bassissime frequenze…Osservazioni nelle bande ULF-VLF-ELF……limite inferiore dello spettro radio…

tempo

frequenza“Radio Natura”

Interessanti ricerche sui disturbi ionosferici indotti da eventi astronomici (perturbazioni solari - SIDs, bombardamento meteoritico, etc…).Fenomeni radio naturali dovuti all’attività troposferica.

Flavio Falcinelli

Prototipo di ricevitore ELF-VLF1-20 kHz ad amplificazione diretta

Si tratta di un semplice radiospettrometro FFT ad amplificazione diretta.Utilizzo degli spettrogrammi per l’analisi dei dati.

Flavio Falcinelli

Esempio di spettrogramma ottenuto con il ricevitore ELF-VLF

Si riconoscono segnali di origine artificiale, come quelli intermittenti caratteristici di tre delle stazioni della rete russa ALPHA utilizzata per il collegamento con i sommergibili militari in tutto il mondo, segnali “doppler” prodotti dal passaggio delle automobili lungo una strada posta a circa 300 metri di distanza dal sito di osservazione e le tipiche armoniche delle linee di distribuzione dell’energia elettrica a 230 V – 50 Hz(parte inferiore del grafico).Sono riconoscibili anche segnali di origine naturale causati dalle scariche elettriche atmosferiche locali ed altri segnali di origine sconosciuta.

Armoniche della tensione di rete

Stazioni ALPHA per sommergibili

Apparecchio TV domestico

Scariche elettricheatmosferiche

SID: Sudden Ionosphere Disturbance

Interessanti correlazioni con l’osservazione dei bursts solari a microonde:utilizzando il ricevitore total-power RAL10 in banda X, èpossibile condurre osservazioni simultanee in banda VLF (SID) ed in banda X.

Studio indiretto delle perturbazioni ionosferiche causate da eventi solari transienti mediante monitoraggio in banda radio VLF delle variazioni di potenza del segnale proveniente da stazioni lontane che si propaga per riflessione ionosferica.

Eruzioni solari

Ricevitore SID: schema a blocchi

Pre-Amp

Band-passFilter

SignalStrength

DATAQ ComputerRS-232

Coax

=

All frequencies

Band-pass Filter (10-50kHz)(Amplitude Modulation)

DC voltageLevel

12 bit, Analog to DigitalConversion

Sample every5 Seconds

Studio dei fenomeni radio transienti nella banda delle

onde corte (HF)

Analisi dei disturbi ionosfericiindotti dall’attività sporadica delSole e dei radio-burst di Giove.

Flavio Falcinelli

Radiazione galattica alle lunghezze d’onda decametriche

Prototipo di un ricevitore ad amplificazione diretta funzionante alla frequenza di 20.4 MHz con il quale si sono replicate le esperienze di Jansky.

Registrazione di prova effettuata con il ricevitore collegato ad un semplice dipolo filare a mezz’onda disposto orizzontalmente rispetto al terreno ed orientato con i massimi di radiazione in direzione NE-SO.

A parte i disturbi locali a carattere impulsivo, si distinguono i larghi massimi periodici dovuti alla radiazione complessiva proveniente da centro galattico.

Emissione dal Sagittario

Disturbi artificiali

Flavio Falcinelli

Studio dell’emissione galattica a 26 MHz

Osservazione effettuata da Salvatore Pluchino (sud della Sicilia) con un sistema ricevente composto da un’antenna yagi a 5 elementi (puntata al transito a circa 45° di elevazione) collegata al prototipo di ricevitore RAL VLF-HF (frequenza operativa 26 MHz). All’uscita Total-Power del ricevitore è stato collegato un sistema automatico di acquisizione (12 bit) gestito dal software RADIOmetrica.

Prototipo di ricevitore a sintonia continua 150 kHz–30 MHz

Come è tipico quando si effettuano osservazioni nella banda di frequenze intorno a 26 MHz, sono visibili i picchi relativi alle interferenze (RFI) con altre stazioni radio commerciali e radioamatoriali.Tali disturbi non hanno impedito, comunque, di evidenziare il profilo del transito del centro galattico.

Monitoraggio della radiazione decametrica di Giove e delle radiotempeste solari

Prototipo di stazione ricevente sintonizzabile nella parte della gamma HF (onde corte) interessante per lo studio dei fenomeni radio transienti di Giove e del Sole (20-40 MHz).

Schema blocchi di un semplice ricevitore ad onde corte utilizzabile per il monitoraggio dell’attività radio di Giove e del Sole.

Radiotelescopi a microonde(in banda X) 10-12 GHz

Facilmente realizzabili a livello amatoriale, dato che sono utilizzabili componenti e moduli commerciali (a basso costo) provenienti dal mercato della TV-SAT (comprese le antenne).I ricevitori total-power in banda X sono relativamente immuni ai disturbi radio artificiali: è quindi possibile installare con successo un piccolo radiotelescopio anche in zona urbana.Purtroppo, le radiosorgenti in banda X non sono molto numerose, népotenti: per osservarle sono indispensabili antenne di dimensioni non trascurabili.Ottime osservazioni del Sole (componente termica della radiazione e registrazioni dei flares solari a microonde) e della Luna.

Flavio Falcinelli

Il primo passo verso l’autocostruzione:Il più semplice radiotelescopio (radiometro) SHFche utilizza un SAT-FINDER commerciale…

E’ un sistema semplice ed economico, che può rappresentare un primo approccio sperimentale verso la radioastronomia.

Schema elettrico del piùsemplice radiotelescopio realizzabile da radiodilettanti

Come iniziare…

Flavio Falcinelli

La radioastronomia per tutti...

10-12 GHz RAL10MICROWAVE RADIOMETER

di RadioAstroLab

Il primo strumento commercialmente disponibile per esperimenti educativi diradioastronomia amatorialeIl sistema RAL10 consente l’installazione di un efficiente radiotelescopio in banda X a basso costo.Raccolta ed analisi delle osservazioni con strumentazione stardardizzata e condivisibile da altri sperimentatori.Sviluppo di una banca dati radioastronomica.

Flavio Falcinelli

Sensibile radiotelescopio amatoriale a microonde(10.7-11.8 GHz) basato sul ricevitore RAL10

L’economicità è basata sull’utilizzo di moduli e componenti facilmente reperibili, provenienti dal mercato della TV-SAT:

Reperibilità dei componenti e facilità di installazione!

Il sistema RAL10 consente l’installazione di un efficiente radiotelescopio a microonde a basso costo.Raccolta ed analisi delle osservazioni con strumentazione stardardizzata e condivisibile da altri sperimentatori.Sviluppo di una banca dati radioastronomica.

Cosa si può fare a livello amatoriale?

Flavio Falcinelli

Analisi di un radiotelescopio Total-Power a microonde

Flavio Falcinelli

Un approfondimento sul funzionamento e sulle possibilità osservative di un tipico radiotelescopio amatoriale total-power a microonde operante nella banda 10-12 GHz

Dove si colloca la banda osservativadei 10-12 GHz ?

Le frequenze inferiori a 1 MHz sono assorbite dalle particelle cariche della ionosfera terrestre che funge da schermo per tutte le onde radio di frequenza inferiore a 10÷20 MHz.

D'altra parte, la stessa atmosfera limita superiormente le frequenze utilizzabili (intorno ai 20 GHz) a causa dei fenomeni di assorbimento molecolare.

10-12 GHz: banda operativa di RAL10 MICROWAVE RADIOMETER

Nella banda 10-12 GHz inizia a diventare non trascurabile il contributo disturbante della TROPOSFERA (formazioni nuvolose, pioggia…)

Flavio Falcinelli

Registrazione RAL10 MICROWAVE RADIOMETER (file AF2)

0

1

2

3

4

5

11:2

8:27

14:1

5:06

17:0

1:45

19:4

8:24

22:3

5:03

01:2

1:42

04:0

8:21

06:5

5:00

09:4

1:39

12:2

8:18

15:1

4:57

18:0

1:36

20:4

8:15

23:3

4:55

02:2

1:34

05:0

8:13

ora locale

Segn

ale

radi

omet

rico

[V]

Livello di base radiometrico: corrisponde con la temperatura del “cielo freddo” (circa 10 K).Il cielo è sereno e l’aria asciutta (modello dell’atmosfera “chiara”).

“Cielo freddo”(cielo quasi sereno)

Formazione nuvolosa uniforme e compatta

Forte attivitàtemporalesca

Il contributo della troposfera nelle osservazioni in banda X (10-12 GHz)…

Gruppo di cumulo-nembi in transito: sullo sfondo formazione nuvolosa uniforme

La registrazione mostra il contributo dell’attività meteorologica sulle osservazioni radioastronomiche a frequenze superiori a 10 GHz

~10K

~200-300K

Flavio Falcinelli

0

1

2

3

4

5

ora locale

segn

ale

tota

l-pow

er [V

]

0

1

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3

4

5

ora locale

0

1

2

3

4

5

ora locale

segn

ale

tota

l-pow

er [V

]Esempio di registrazione del transito lunare in differenti condizioni di “cielo”. Effetto delle perturbazioni meteo.

A e B:Osservazioni del transito lunare effettuate in giorni diversi ed in condizioni di cielo sereno (atmosfera chiara).Il diverso ed asimmetrico profilo della traccia è dovuto al puntamento dell’antenna effettuato NON sul meridiano.

A

B

C

C:Analoga osservazione dello stesso scenario in condizioni meteorologiche turbate.I picchi che si vedono rappresentano incrementi di temperatura dovuti a formazioni nuvolose in transito entro il fascio d’antenna.

Moon

Ricevitore RAL10: struttura

Componenti commerciali (mercati TV-SAT e radioamatoriale) di basso costo

Flavio Falcinelli

Elettronica interna di RAL10 MICROWAVE RADIOMETER

Lo strumento è anche disponibile in kit, con le parti elettroniche già montate e collaudate

La struttura essenziale di un ricevitoreTotal-Power (ad esempio RAL10)…

Frequenza operativa del sistema:

fo10.7 11.8+

2

GHz⋅:= fo 1.125 1010× Hz= Frequenza centrale di ricezione

λo3 108⋅

ms

⋅

fo:= λo 0.0267 m= Lunghezza d'onda centrale di ricezione

B 2050 950−( ) MHz⋅:= B 1.1 109× Hz= Larghezza di banda del ricevitore (corrisponde alla

larghezza di banda della catena amplificatrice IF)

Rivelatore compensato in temperatura

Uno strumento Total-Power misura la potenza totale associata al segnale captato dall’antenna e la potenza dovuta al rumore di fondo captato dal ricevitore.Utilizzando un circuito differenziale di post-rivelazione è possibile evidenziare solo le variazioni del segnale dovute alla radiazione proveniente da una radiosorgente.

Parametri che influenzano la ricezione:1) Antenna (guadagno massimo, ampiezza del fascio, forma del diagramma di ricezione);

2) Figura di rumore e guadagno totale di pre-rivelazione del ricevitore (il rumore captato dall’esterno e quello interno del ricevitore devono essere minimi, dato che il ricevitore Total-Power amplifica tutto, senza discriminare fra rumore e segnale utile);

3) Sensibilità di rivelazione(dipende dal tipo di rivelatore utilizzato);

4) Guadagno di post-rivelazione (discrimina e amplifica solo il segnale utile);

5) Costante di tempo dell’integratore (riduce le fluttuazioni statistiche del segnale d’uscita).

Flavio Falcinelli

Antenna generalmente utilizzata:Riflettore parabolico a simmetria circolare

HPBW_g 1.0481= [gradi]

Si ipotizza un'antenna con diametro pari a: D 1.5 m⋅:= ed un'efficienza d'antenna η 0.5:=

si avrà un guadagno d'antenna dell'ordine di: Ga_max ηπ D⋅λo

2⋅:= Ga_max 15614.0226=

Ga_max_dB 10 log Ga_max( )⋅:= Ga_max_dB 41.9351= [dB]

Valore angolare del beam d'antenna

Tipica antenna amatoriale reperibile sul mercato TV-SAT (riflettore primo-fuoco oppure offset).

I parametri importanti del ricevitore…

Il segnale Total-Power èacquisito da un convertitore analogico-digitale (ADC) con adeguata risoluzione (nel RAL10è di 12 bit) per la gestione dei dati tramite PC e software di elaborazione (es. RADIOmetrica).

Guadagno in tensione dell'amplificatore di post-rivelazioneAv 1000:=

Temperatura equivalente di rumore del ricevitoreTr 20.97 K=Tr To Fr 1−( )⋅:=

Fr 1.07=Fr 10

Fr_dB

10:=

Figura di rumore del ricevitore (poichè il guadagno del LNA è elevato rispetto a quello degli stadi successivi, si suppone che la figura di rumore del ricevitore sia coincidente con quella del modulo LNA)

[dB]Fr_dB 0.3:=

A 1.26=A 10

A_dB

10:=

[dB]A_dB 1:=Somma delle perdite sul cammino RF (cavo coassiale+connettori+ disadattamenti vari+mixer, etc..)

GIF 50.12=GIF 10

GIF_dB

10:=[dB]GIF_dB 17:=

Guadagno della catena amplificatrice IF

GLNA 1 105×=GLNA 10

GLNA_dB

10:=[dB]GLNA_dB 50:=

Guadagno LNAC (unità esterna posta sul feed d'antenna)

Se il guadagno dell’LNA èsufficientemente elevato, la figura di rumore del ricevitore ècoincidente con quella dell’LNA

E’ il guadagno in DC impostabile con RAL10

Caratteristiche della radiosorgente osservata…

Modello utilizzato per simulare la distribuzione di brillanza di una tipica radiosorgente discreta

1) Densità di flusso [Jy];2) Dimensione angolare apparente [gradi].

Dimensione angolare apparente

Definizione dell'unità di misura del flusso delle radiosorgenti [Jy]

Jy 10 26− W

m2 Hz⋅⋅:=

Valutazione della temperatura d'antenna supponendo assenza di disturbi interferenti di origine artificiale:

[gradi]elevazione 65=

Aatm 1.05=

Aatm 10

As

sin elevazioneπ

180⋅

:=

Attenuazione della tratta atmosferica caratterizzata da attenuazione specifica [As] alla frequenza di lavoro (lo spessore dell'atmosfera è ricavabile dall'angolo di elevazione dell'antenna [elevazione] .

Attenuazione specifica atmosferica alla frequenza di 10 GHz (si ottiene dalla tabella precedente)

[dB/km]As 0.02:=

Temperatura radiante dell'atmosferaTatm 260 K⋅:=

Il contributo del rumore di assorbimento atmosferico è valutabile con l'aiuto della seguente tabella:

Temperatura di brillanza del fondo cosmico a microonde ("cielo freddo" in assenza di radiosorgenti).

Tcmb 3 K⋅:=

Tdist_atm 0 K⋅:=Contributo di rumore d'antenna dovuto ai disturbi atmosferici naturali, circa nullo per frequenze > 10 GHz.

Elevazione dell'antenna rispetto all'orizzonteelevazione 65:= [gradi]

Flavio Falcinelli

La temperatura del cielo, tenendo conto del fondo cosmico a microonde, del rumore atmosferico (troposfera), dei disturbi atmosferici naturali, dell'irradiazione del terreno e del contributo dovuto alla radiosorgente, è esprimibile come:

Il contributo della radiazione del terreno…

Valutazione del contributo di rumore dovuto all'irradiazione del terreno che entra nel fascio d'antenna attraverso i lobi laterali se l'antenna punta il cielo con angoli di elevazione superiori a 5°:

Modello del profilo della variazione della temperatura del terreno in funzione dell'elevazione dell'antenna

elevazione 65= [gradi]

Tgnd elevazione( ) 10.33 K=

La temperatura di brillanza del terreno, che non coincide con la sua temperatura fisica a causa di fenomeni di diffusione e di riflessione, assume tipicamente valori dell’ordine di 240÷300 K, prodotti dal contributo dei lobi laterali dell’antenna e dall’effetto di altre sorgenti come la vegetazione o la stessa brillanza atmosferica che si riflette sul terreno umido.

Poiché l’antenna di un radiotelescopio é puntata verso il cielo con angoli di elevazione sicuramente maggiori di 5°, può captare radiazione termica dal terreno solo attraverso i lobi secondari: il livello del contributo dipende dalla loro ampiezza rispetto a quella del lobo principale.

( ) ( ) ( ) ( )atm

atmatmgndatmdistcmbs

AATelevazioneTTTT

T1_ −⋅++++

=φ

φ

Temperatura d’antenna…

La temperatura effettiva d'antenna sarà la convoluzione del gain pattern normalizzato dell'antenna con la funzione temperatura equivalente di rumore ricavata sopra. Per il calcolo, conformemente alla definizione, si utilizza l'integrale di convoluzione:

Contributo della radiosorgente

Fondo cosmico a microonde (circa 3K)

Disturbi atmosferici (sono praticamente assenti nella banda 10-12 GHz)

Contributo dovuto al terreno

Rumore di assorbimento atmosferico

( ) ( ) ( )∫∞

∞−

−⋅∝ ηηφηφ dGGTT

a

aa

max_

Risultato:l’antenna di un radiotelescopio tende a “livellare”, quindi a “diluire”, la vera distribuzione di brillanza osservata che risulterà “pesata” dalla funzione guadagno d’antenna.Nel caso in cui la radiosorgente sia estesa rispetto al fascio d’antenna, la distribuzione di brillanza osservata tende ad approssimare quella vera.

( ) ( ) ( ) ( )atm

atmatmgndatmdistcmbs

AATelevazioneTTTT

T1_ −⋅++++

=φ

φ E’ la temperatura del cielo

Temperatura d’antenna

Temperatura del cielo

Rappresenta la potenza di segnale effettivamente presente ai morsetti d’ingresso del ricevitore

Distorsione strumentale (dovuta al gain-pattern d’antenna) nella misura dell’effettiva distribuzione di brillanza del cielo

HPBW_g 1.05= [gradi]

Ws_g 0.52= [gradi]

Dimensione apparente della radiosorgente

Ampiezza del fascio d’antenna

Radiosorgente

Un esempio:

Misura dell’antenna

L’entità della distorsione strumentale è legata al rapporto fra le dimensioni angolari del fascio d’antenna e quella apparente della radiosorgente: nessuna distorsione si verifica se il fascio d’antenna è molto stretto rispetto all’ampiezza “radio” della radiosorgente (antenna MOLTO DIRETTIVA).

Principali radiosorgenti osservabilicon impianti amatoriali

Densità di flusso del Sole quieto[Jy]SsoleJy

3.27 106×=Ssole

2 k⋅ Td_sole⋅

λo2

Ω sole⋅:=

è definita come la temperatura del discoTd_sole 12400 K=Td_sole1.19 1.29+

2

104⋅ K⋅:=

estensione angolare del disco solare visto da Terra

[gradi]Wsole_g 0.53=Wsole_g 2Ω sole_g

π⋅:=

angolo solido sotteso dal disco solare

[gradi*gradi]Ω sole_g41253

4π

Ω sole⋅:=[ster]Ω sole 6.797 10 5−

⋅:=

Si ammette che il Sole possieda una distribuzione di brillanza uniforme e dimensioni radio uguali a quelle del disco ottico

Densità di flusso della LUNA:

Ω luna 6.422 10 5−×:= [ster] Ω luna_g

412534π

Ω luna⋅:= [gradi*gradi] angolo solido sotteso dal

disco lunare

estensione angolare del disco lunare visto da TerraWluna_g 2

Ω luna_gπ

⋅:= Wluna_g 0.52= [gradi]

Td_luna 152.325 K⋅:= è definita come la temperatura del disco

Sluna2 k⋅ Td_luna⋅

λo2

Ω luna⋅:=Sluna

Jy37967.6= Densità di flusso della Luna

Sole

Luna

Parametri valutati alla frequenza di 11.25 GHz

Flavio Falcinelli

ANTENNA

Diametro antenna: 1.5 metriGuadagno antenna: 41.9 dBAmpiezza beam: 1 grado

Ricevitore: Microwave Radiometer RAL10Frequenza centrale operativa: 1.25 GHz (λ=2.6 cm)Banda: 1.1 GHz

RICEVITORE

GLNA = 50 dB (min)Fnoise = 0.3 dB (medio)

GIF = 17 dB (min)Perdite cavo e connettori = 1 dB

Temperatura equivalente di rumore del ricevitore = 21 K

Av (gain post-riv.) = 1000Costante di tempo integratore: τ = 1 s

SENSIBILITA’ TEORICA del ricevitore: ∆Tmin = 0.017 KFLUSSO MINIMO rivelabile: ∆Smin = 55.5 Jy

τξ

⋅⋅=∆BT

T sysmin min2min

8 TGkSa

∆⋅

⋅

=∆λπ

SISTEMA AUTOMATICO DI ACQUISIZIONE DEI DATI

Risoluzione ADC: 12 bitNumero di livelli di quantizzazione: 4096Minimo livello di segnale risolvibile: 1.22 mVRapporto segnale/disturbo ideale: 74 dB

5≈ξdove

Caratteristiche tecniche principalidel ricevitore RAL10

Rivelatore a caratteristica quadratica

Sole LunaFlusso a 11.25 GHz = 38000 JyTemperatura del disco = 152.3 KEstensione angolare = 0.52 gradi

Flusso a 11.25 GHz = 3270000 JyTemperatura del disco = 12400 KEstensione angolare = 0.53 gradi

Esempi di registrazioni effettuate con RAL10.

Simulazioni di registrazioni effettuate al transito supponendo un’elevazione dell’antenna pari a circa 65° rispetto all’orizzonte.

Prove tecniche di ricezione…

antenna di prova

Radiometro SHFsegnale di calibrazione

Flavio Falcinelli

Le prime verifiche e calibrazionidel sistema ricevente con il Sole

L’antenna “guarda” il Sole (utilizzato come “radiosorgente campione”) per verificare il funzionamento e la sensibilitàcomplessiva della catena ricevente.

Antenna TEST

Antenna power-pattern

Ricevitore total-power in banda X (RAL10 di RadioAstroLab)

Quando il fascio d’antenna è più ampio della dimensione apparente della radiosorgente, la traccia del suo transito registrata dal radiotelescopio evidenzia la forma del diagramma di ricezione.Sono ben visibili i lobi laterali del sistema d’antenna.

Il Sole con RAL10

La componente termica della sua radiazione

Registrazione di un transito solare con il ricevitore RAL10

Studiare il Sole (emissione termica e flares) con il radiotelescopio RAL10

Registrazione di flares solari a microonde con il sistema RAL10 e RADIOmetrica (sistema di acquisizione a 12 bit).(Osservazione del sig. Michele Mallardi che ha utilizzato un’antenna a riflettore parabolico TV-SAT da 80 cm di diametro).

Transito del disco solare sul fascio d’antenna

Eruzione solare

Flavio Falcinelli

Transito della Luna entro il fascio di ricezione del radiotelescopio

Nella banda operativa (10.7-11.8 GHz) la densità di flusso della Luna è pari a circa 30000 Jy, con una componente radiativa essenzialmente di natura termica.Lo strumento è composto dal ricevitore RAL10 equipaggiato con antenna a riflettore parabolico per TV-SAT con diametro pari a 80 cm.(Cortesia sig. Michele Mallardi)

Moon

Flavio Falcinelli

Alcune registrazioni della Luna…

Antenna con ricevitore RAL10

LUNA al transito

effettuate da radioastronomidilettanti possessori del sistema ricevente RAL10 con differenti impianti di antenna…(Cortesia sig. Michele Mallardi e sig. Ferruccio Paglia)

Particolari di transiti lunari…

Interferenza radio registrata durante un transito della Luna davanti al fascio d’antenna di un radiotelescopio equipaggiato con RAL10 e antenna parabolica offset da 1.5 metri di diametro(cortesia Michele Mallardi).

Condizioni di osservazione:

-Ricevitore RAL10 + Radiometrica;-Parabola 1,5 metri di diametro;-LNB 0,6 dB FNoise e 50 dB Gain;-Sistema Motorizzato EL - AZ ;-Guadagno DC = 16;-Illuminazione quasi totale del suolo Lunare;-Temperatura esterna circa 18°;-Condizioni meteo eccezionali.

Flavio Falcinelli

Sole LunaFlusso a 11.25 GHz = 38000 JyTemperatura del disco = 152.3 KEstensione angolare = 0.52 gradi

Flusso a 11.25 GHz = 3270000 JyTemperatura del disco = 12400 KEstensione angolare = 0.53 gradi

ANTENNA

Diametro antenna: 0.6 metriGuadagno antenna: 34 dBAmpiezza beam: 2.62 gradi

Segnale a fondo-scala

Effetto della costante di tempo dell’integratore di post-rivelazione sul segnale d’uscita:

τξ

⋅⋅=∆BT

T sysmin

s1=τ

s001.0=τ τξ

⋅BTsys

T∆

Flavio Falcinelli

Un caso estremo…. MarteFlusso a 11.25 GHz = 5.1 JyTemperatura del disco = 216 KEstensione angolare = 0.005 gradi

ANTENNADiametro antenna: 3 metriGuadagno antenna: 48 dBAmpiezza beam: 0.52 gradi

RICEVITOREGLNA = 50 dB (min)Fnoise = 0.3 dB (medio)GIF = 30 dB (min)Av (gain post-riv.) = 3200Costante di tempo integratore: τ = 1 s

Sensibilità del sistema: ∆Tmin = 0.015K

La radiosorgente non è ricevibile

ANTENNADiametro antenna: 6 metriGuadagno antenna: 54 dBAmpiezza beam: 0.26 gradi

∆T=0.073K

Sensibilità del sistema: ∆Tmin = 0.015K

∆T=0.018K

La radiosorgente è ricevibile

L’acquisizione e la registrazione automatica dei dati…

Convertitore Analogico-Digitale (ADC):trasforma il segnale analogico d’uscita in un flusso di dati in formato digitale adatti ad essere elaborati dal computer di stazione.

PCdi stazione

RICEVITORE RAL10

Software per l’acquisizione automatica dei dati sviluppato per il ricevitore RAL10.

Parametri base ADC:1) Risoluzione (es. 12 bit);2) Intervallo del segnale analogico d’ingresso (es. 0-5 Vdc);3) Minimo livello di segnale rivelabile;4) Rapporto segnale/rumore.

E’ indispensabile per acquisire e registrare automaticamente i segnali ricevuti realizzando una stazione radioastronomica non presidiata da operatori.Più osservatori possono contare su un sistema di acquisizione standardizzato che consente di confrontare i dati senza ambiguità.

Flavio Falcinelli

FITS File FormatFlexible Image Trasport System, è un formato di storing dei dati ormai diventato uno standard internazionale in ambito radioastronomico. RADIOmetrica consente ilsalvataggio dei dati in formato FITS BINTABLE, ottimizzato in binario. Oltre ai dati, in ogni pacchetto sonoinseriti diversi parametri correlati al Data Block registrato.

ASCII FormatI dati possono anche essere salvati in un file di testoASCII, leggibile da qualunque editor e stampabili o importabili su fogli di calcolo o pacchetti di analisistatistica dei dati. Anche nel formato ASCII, oltre ai datigrezzi sono salvati diversi parametri legati al Data Block registrato.BitmapIn bitmap sono memorizzate le immagini delle "strip chart" prodotte dall’ottima interfaccia grafica di RADIOmetrica..

RADIOmetrica è il software di acquisizione e di processing dei segnali acquisiti specificamente progettato per RAL10, parte integrante del sistema radioastronomico proposto da RadioAstroLab.L’acquisizione dei dati avviene tramite porta seriale e protocollo proprietario secondo lo standard RS232.

Conversione Analogico-Digitale (ADC)…ANTENNADiametro antenna: 0.5 metriGuadagno antenna: 32.4 dBAmpiezza beam: 3.1 gradi

RICEVITOREGLNA = 50 dB (min)Fnoise = 0.5 dB (medio)GIF = 17 dB (min)Av (gain post-riv.) = 500Costante di tempo integratore: τ = 0.1 s

RADIOSORGENTE: LUNAFlusso a 11.25 GHz = 38000 JyTemperatura del disco = 152.3 KEstensione angolare = 0.52 gradi

Risoluzione ADC = 8 bit (256 livelli in ampiezza)Minimo segnale risolvibile: circa 20 mVRapporto S/N = 50 dB

Risoluzione ADC = 12 bit (4096 livelli in ampiezza)Minimo segnale risolvibile: 1.2 mVRapporto S/N = 74 dB

Il segnale èappena discernibile sulla registrazione…

…si effettua lo ZOOM dell’asse verticale…

E’ possibile ricevere CASSIOPEIA con RAL10?Flusso a 10 GHz = 600 JyEstensione angolare = 0.02 gradi

ANTENNADiametro antenna: 1.5 metriGuadagno antenna: 42 dBAmpiezza beam: 1 grado

RICEVITOREGLNA = 50 dB (min)Fnoise = 0.5 dB (medio)GIF = 17 dB (min)Av (gain post-riv.) = 2000Costante di tempo integratore: τ = 1 s

La traccia del transito della radiosorgente non è visibile sul tracciato dove la scala delle ordinate è quella massima gestita dall’ADC: occorre effettuare uno ZOOM verticale per evidenziare il dettaglio della registrazione.Il passaggio della radiosorgente sarà visibile nei particolari se il convertitore analogico-digitale (ADC) del sistema ricevente è dotato di adeguata risoluzione.

Flavio Falcinelli

Registrazione della zona di cielo interessata al transito di M31effettuata con RAL10 ed un’antenna a riflettore parabolico da 2.10 metri di diametro (cortesia Michele Mallardi)

Caratteristiche della stazione:

-Ricevitore RAL10 impostato a 32 DCGain (3200x);-Preamplificatore di linea da 16 dB;-Antenna 2.10 metri di diametro;-Tempo di intergrazione maggiore di 10 s;-Flusso radiosorgente: >30 Jy @ 10 GHz;-LNAC con guadagno >50 dB e FNoise = 0.3 dB.

Registrazione reale

Registrazione simulata per verificare la fattibilitàdell’osservazione e la sensibilità del sistema ricevente

Flavio Falcinelli

Interferenze e disturbi provenienti da apparati domestici.(Registrazione effettuata da Michele Mallardi con il sistema RAL10).

Esperimenti radioastronomici alla portata delle scuole, dei gruppi di astrofili e dei singoli appassionati…

RAL10 MICROWAVE RADIOMETER

+RADIOmetrica

Il radiotelescopio installato pressol’Istituto Tecnologico “Mottura”a Caltanissetta