Киевский клуб любителей астрономии "Астрополис"

astromagazin.net
* *
Добро пожаловать, Гость. Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь.
23 Мая 2018, 14:17:48


ЛЮБИТЕЛЬСКАЯ РАДИОАСТРОНОМИЯ ПО-НАСТОЯЩЕМУ

ИЛИ

ПОЧЕМУ ПОЛУЧИЛОСЬ ТОЛЬКО СЕЙЧАС?

Вступление

Еще несколько лет назад, изучая странички русскоязычных сайтов по теме любительская радиоастрономия, любительский радиотелескоп, коллективные радионаблюдения и т.д., я подсознательно соглашался с авторами постов, что это достаточно сложное дело, но сознание стремилось в дальний космос. Изучая зарубежную схемотехнику и технологию построения радиотелескопов в любительских условиях, я понимал, что возможностей, особенно материальных, у зарубежных радиоастрономов-любителей (далее РЛ) намного больше, чем у нас. Наличие современных дорогостоящих приборов: анализаторов спектра, генераторов и т.д., плюс малошумящая элементная база у иностранцев намного превосходила наши возможности. В то время уже проводились радионаблюдения ближнего космоса любителями из Белоруссии, России и Украины. В основном наши РЛ наблюдали Солнце, Юпитер и метеорные потоки. Радионаблюдения объектов дальнего космоса, таких как радиогалактики, сверхновые, пульсары, квазары и т.д. предпринимались в основном РЛ из Европы, Америки и Австралии. Но пускай дальше, чем ближний космос и обсуждения, на сайтах у нас дело не шло, зато за столько лет обсуждений была всесторонне обговорена теоретическая часть не только простых радиотелескопов - радиомеров, но и радиотелескопов - интерферометров. Обсуждались современные методы апертурного синтеза, построение радиоизображений объектов дальнего космоса и даже обсуждались принципы радиоинтерферометров сверхдлинной базы (РСДБ) с разрешением на порядок выше, чем в близкой всем нам оптической астрономии. Так что наши РЛ подвели неплохую общетеоретическую, описательную базу для создания настоящего любительского радиотелескопа для наблюдений объектов дальнего космоса.

Немного теории

Но почему всё-таки радиоастрономия так сильно привлекает? Да потому, что радиодиапазон электромагнитного спектра огромен по сравнению, например, с оптическим рис.1. 
      

Рис.1

Световые лучи - не единственные вестники далеких космических миров. Космос пронизан и другими видами электромагнитных излучений. Это радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Все эти излучения несут ценнейшую информацию о физических явлениях во Вселенной.

Те космические объекты, которые мы наблюдаем в оптическом диапазоне - Солнце, звезды, планеты, галактики, туманности - являются источниками радиоизлучения. Широта спектра радиодиапазона дает широкие возможности наблюдения и изучения этих объектов космоса в разных спектральных линиях. На разных частотах радиодиапазона может быть получена совершенно разная, очень ценная информация о физических процессах, происходящих в данном объекте.

Радиоастрономия очень быстро стала незаменимым методом изучения Вселенной. Дело в том, что радиоволны хорошо проникают сквозь межзвездную среду, космическую пыль и поэтому приходят к нам из таких районов космоса, откуда видимый свет дойти не может. Благодаря этому радиотелескопы позволили астрономам заглянуть в самые потаенные уголки Вселенной, недоступные оптическим телескопам.

Кроме того, источниками космического радиоизлучения, как правило, бывают объекты, где происходят активные физические процессы. А именно такие объекты представляют наибольший интерес для познания самых глубоких закономерностей строения и развития материи во Вселенной. Не случайно с помощью радиоастрономии удалось обнаружить целый ряд неизвестных ранее космических объектов, в том числе источники чудовищных энергий - квазары и сверхплотные нейтронные звезды - пульсары.

И еще немаловажные факторы в пользу радиоастрономии: при наблюдениях в диапазоне длин волн от 30м до 1см погода и атмосфера практически на влияет на прохождение радиосигнала. Наблюдения можно проводить в любое время суток. Разрешающая способность наземных оптических телескопов ограничена турбуленцией атмосферы и составляет не многим более 1 угл.сек. Радиотелескоп, работающий в режиме РСДБ, может иметь разрешение 0.0001 угл.сек. Также большая широта спектра радиодиапазона увеличивает вероятность принять сигнал от инопланетных цивилизаций, чем и занимаются радиообсерватории в том числе и любительские по программе SETI.

Задача выбора радиочастот и принципа работы радиотелескопа для любительской радиоастрономии сводилась к решению нескольких подзадач.

1.Выбор метода приема и обработки радиосигнала.

Зная, что радиосигналы от космических радиоисточников намного слабее, чем общий радиофон, состоящий из естественного и искусственного радиошума плюс шум приемной системы, был выбран двухэлементный радиотелескоп-интерферометр с корреляцией фазы. Так как естественный шум и шум приемной системы могут иметь случайный характер, то путем многократного усреднения по времени можно свести его к минимуму на стадии цифровой обработки. Искусственный шум будет давиться фильтрами, установленными сразу после приемного элемента антенны.

2.Выбор частотного диапазона.

Для минимизации размеров антенной и приемной аппаратуры, а также имея желание исследовать космос на частоте водорода - 1421МГц, был принят диапазон частот от 1000МГц до 2000МГц . Данный диапазон частот подходит для передачи по коаксиальному кабелю от антенн к приемнику, а если взять готовые цифровые тюнеры промышленного производства, которые используются в спутниковых ресиверах, то паять и изобретать сложные СВЧ схемы вообще не придется. Кстати частота этих тюнеров как раз 950-2150Мгц, что нам и нужно.

3.Размер и сложность изготовления антенны.

Учитывая выбранный выше частотный диапазон и необходимость иметь как можно более узкую диаграмму направленности одной антенны, в системе двухэлементного интерферометра была выбрана прямофокусная параболическая антенна размером 1.8м, применявшаяся в спутниковом телевидении до того, как стали широко применяться офсетные антенны небольших диаметров. В качестве облучателя в фокусе антенны был установлен полуволновой диполь, изготовленный из медных трубок телескопической антенны бытового приемника. Минимальное использование «очумелых ручек» опять таки налицо. Берется все готовое с крыш соседских многоэтажек, но только не используемое и с разрешения!!! В качестве МШУ (малошумящий усилитель) используется линейный усилитель от спутникового ТВ, предназначенный для компенсации потерь в очень длинных коаксиальных проводах.

4.Создание программного обеспечения и АЦП для цифрового ввода и обработки сигналов на компьютере.

АЦП было создано на основе быстродействующей USB-микросхемы, программное обеспечение создавалось на VC++.

Почему удалось с минимальными затратами и в кратчайшие сроки построить радиотелескоп только сейчас?

Да потому, что во время начала развития тем по любительской радиоастрономии на российских сайтах, а это было 8-10 лет назад, прямофокусные параболические антенны и цифровые тюнеры, которые могли бы подойти для таких задач, стоили не дешево для того, чтобы их запросто перебирать, модернизировать и ставить над ними эксперименты для радиоастрономии. А разрабатывать и изготавливать в домашних условиях схемотехнику для СВЧ самостоятельно не каждый опытный радиолюбитель решится т.к. СВЧ-техника - очень капризная штука. И дорогая (медные волноводы и резонаторы, покрытые серебром и золотом, дорогая и дефицитная элементная база). А сейчас прямофокусные алюминиевые параболические антенны, используемые в спутниковом телевидении, полностью заменены маленькими железными офсетками. Параболы же теперь гниют на крышах и стенах многоэтажек, бери - не хочу. Вот они нам как раз и нужны, причем? чем больше диаметром, тем лучше.

То же самое произошло и с цифровыми тюнерами от спутниковых ресиверов. Не смотря на то, что цифровые тюнеры от спутниковых ресиверов и карт и так производились почти в интегральном исполнении и содержали внутри себя все, что нам нужно для наших целей, их стали заменять цифровые тюнеры в виде одной специализированной микросхемы. Поэтому теперь спутниковый ресивер стал еще доступнее для широких масс, а предыдущие ресиверы и DVB-карты, в которых есть так необходимые нам цифровые тюнеры предыдущей разработки, оказались на прилавках торговцев радиохламом на радиорынках за 5-10$.

К делу!

Для реализации всей системы от антенны до компьютера нам необходимо иметь все в двух экземплярах: две антенны, два МШУ, два цифровых тюнера, у каждого из которых удаляется собственный кварцевый резонатор и они подключаются к общему генератору для режима интерферометра, а также два АЦП для каждого из тюнеров.

Детали монтажа и настройки системы выходят за рамки этой статьи. Могу сказать только, что пайка требуется только в межблочных соединениях и при изготовлении полуволновых диполей. Если соединить между собой все правильно, система начнет работать сразу, т.к. не требует сложной настройки.

К основным самым мощным объектам дальнего космоса, которые мы должны увидеть при первом свете (как говорят оптические астрономы) нашего радиотелескопа, относятся радиоисточники: Кассиопея А (сверхновая), Лебедь А (двухкомпонентная радиогалактика размером 2 угл.мин.), Телец А (Крабовидная туманность М1, сверхновая, пульсар), Дева А (радиогалактика М87), а также радиоисточник 3С400 в созвездии Орла. Основной тест приемной части и настройки антенны нашего радиотелескопа в любительских условиях были выполнены по Солнцу.

Вот что получилось в итоге. 
       
       
       
         
       
       
       

Радиотелескоп - интерферометр был испытан в мобильном варианте с параболическими антеннами 1.2м, базой от 10м до 20м, на частоте 1145МГц. Чувствительность данной конфигурации на частоте 1145МГц по радиоисточникам составила примерно 250 Янских. В городских условиях, из-за большого уровня шума применялись узкополосные резонаторные фильтры, что привело к снижению чувствительности на 30%.

Дальнейшие задачи по развитию данной системы.

1.Увеличение диаметров антенн и базы между ними, для повышения чувствительности разрешающей способности.

2.Формирование радиоизображения небесной сферы и отдельных радиоисточников за счет увеличения количества элементов радиоинтерферометра и вращения земли.

3.Испытание данной системы в режиме РСДБ, с синхронизацией от GPS и применением высокостабильных термостатированных кварцевых резонаторов.

Александр Плаха (Украина, Донецк)                                                         2011г.

alex263@mail.ru

Комментарии *

1) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор Polaris 01 Сентября 2011, 15:52:13
Можна про спектр детальніше, що по осях?
2) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор achaika 01 Сентября 2011, 20:58:42
"...Детали монтажа и настройки системы выходят за рамки этой статьи..."
Планируются ли автором статьи с детальным описанием "Hard & Soft"?
3) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор LOZA 02 Сентября 2011, 09:30:02
Саня , дружище так держать, молодец!!!!
4) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор DF 02 Сентября 2011, 11:57:34
Отвечу за Сашу, описание будет.
5) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор Alex Plaha 02 Сентября 2011, 15:27:17
6) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор Alex Plaha 02 Сентября 2011, 16:03:04
Санёчек - дружочек,  спасибо!
7) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор 0 04 Сентября 2011, 11:10:40
Рабочий диапазон частот?
8) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор Alex Plaha 04 Сентября 2011, 11:37:22
950-2150 Мгц
9) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор 0 04 Сентября 2011, 19:15:26
Выборка для Virgo A (M87, 3C274)*
 
Fr, MHz FluxDe, Jy FluxD err, Jy

 00010  11090.00  1995.00
 00013  09530.00  1525.00
 00015  08920.00  1695.00
 00017  07670.00  0995.00
 00020  06435.00  0835.00
 00025  05840.00  0700.00
 00026  04404.00  0232.00
 00038  03887.44  0175.10
 00080  01519.00  0228.00
 00178  01154.30  0057.70
 00408  00510.40  0077.56
 00635  00460.28  0018.70
 00750  00368.20  0018.40

 01400  00220.20  0011.00
 01400  00214.61  0010.46

 02650  00126.70  0004.00
 02695  00119.57  0001.21
 02700  00120.92  0006.05
 05000  00071.60  0003.58
 05000  0
10) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор Alex Plaha 04 Сентября 2011, 19:58:13
Абсолютные значения потоков ниже приведенных радиоисточников я не измерял.
Но относительные соотношения потоков, полученные мной при наблюдениях этих радиоисточников совпали с большой точностью.
Наблюдения проводил на частоте 1.145ГГц.
                        Частота [ГГц] 
                 0.96     1.42     2.30     
Поток. Ян
Cas_A         2809.6  2078.4  1433.7
Cyg_A         2319.4  1563.8  952.8   
Tau_A         1055.1  938.6    812.5   
Vir_A          295.2    211.2    139.7
-----------------------------------
   
11) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор 0 04 Сентября 2011, 20:29:54
Я привёл данные для одного радиоисточника Virgo A (M87, 3C274), которые взял из каталога VIII/5 Bright Extragalactic Radio Sources (1Jy) (Kuehr+, 1981) http://cdsarc.u-strasbg.fr/viz-bin/Cat?VIII/5

Первый столбик - частота, второй- поток, а третий- ошибка измерения потока:

Fr, MHz FluxDe, Jy FluxD err, Jy
 01400  00220.20  0011.00
 01400  00214.61  0010.46

Так что твои данные для Virgo A: 211.2 Jy на 1.42ГГц очень хорошие!
12) Re: Любительская радиоастрономия по-настоящему
Автор Alex Plaha 04 Сентября 2011, 21:09:01
Спасибо.
Комментирование для данной статьи отключено.