Gli esperimenti

Una piccola storia

L'inizio delle osservazioni e' stato per pura curiosità.

Ci incuriosiva "ascoltare" il rumore delle meteore che alcuni dicevano si potesse sentire a tratti tramite una radio sintonizzata su Graves.

Effettivamente, una volta superati gli errori di sintonia e di utilizzo di antenne non accordate la sorpresa e' stata notevole: non solo si sentivano gli echi, ma questi erano veramente numerosi ed interessanti.

Tramite l'utility Spectran 2 (sw, open source) per radioamatori abbiamo visto il transito in suono e video di echi meteorici assimilati a "mazze da golf" nell'area waterfall.

– Videata di Spectran -

RAMBO 1

Il primo pensiero è stato quindi quello di "misurare" questi echi registrandone i dati analiticamente, andando oltre il puro e semplice ascolto.

Puntando ad una registrazione continuativa, abbiamo scartato l'ipotesi di utilizzare un personal computer, che sarebbe stato sempre acceso. La scelta è quindi stata quella di analizzare il suono generato da un ricevitore radio con un microprocessore.

Nella prima versione il circuito elaborava il segnale audio proveniente dal ricevitore, sempre acceso, analizzandolo esclusivamente in ampiezza.

– I dati di una settimana di registrazione: ogni circoletto rappresenta un'eco meteorica.
Le dimensioni sono proporzionali alla durata dell'eco
ed ogni verticale rappresenta un'ora di eventi -

Registrare tutti gli echi prescindendo dalla loro origine esponeva l'apparato al rischio di computare, come echi meteorici, qualunque evento transitorio anche non meteorico: sia quelli rivelati dal radioricevitore (fulmini con scariche elettrostatiche, motori a scoppio, disturbi vari, ecc...) che quelli presenti sull'alimentazione di rete (motori elettrici, accensione neon ecc...).

- Output grafico con transitori non meteorici -

RAMBO 2

Nella seconda versione di Rambo, per limitare questo inconveniente, siamo ricorsi ad un convertitore frequenza-tensione per cercare di rivelare quei transitori con frequenza uguale o superiore ad una soglia intorno ai 1000 Hz.

Lo scopo era quello di restringere l'analisi a quei transitori caratterizzati da una componente in frequenza tipica degli echi meteorici, cioè quella dei segnali a 1000 Hz dati dalla banda laterale in SSB (in modulazione di ampiezza AM) ed ottenuta grazie allo shift in sintonia di 1KHz rispetto alla portante di Graves.

RAMBO 3

Per perfezionare ulteriormente questa tecnica, abbiamo poi ideato una terza versione di Rambo, in cui, al posto del circuito integrato di conversione frequenza-tensione, abbiamo utilizzato l'MSGEQ7 che è sostanzialmente un'analizzatore di spettro analogico che esamina sette frequenze, una delle quali è appunto quella a 1000 Hz.

- Analisi con MSGEQ7 -

- Spettro audio con le sette frequenze analizzate dal MSGEQ7 -

Il rapporto tra l'ampiezza del segnale a 1 KHz e l'ampiezza alle altre frequenze era il nuovo valore esaminato da Rambo 3.

A bordo di Rambo 3 c'era, inoltre, un ricevitore GPS utile per assegnare ad ogni eco la data e l'ora su di una scheda mini SD, sulla quale si registravano i record dei dati su di un file csv.

RAMBO 4

In questa versione e' stata introdotta un'ulteriore modifica, sempre al fine di eliminare i transitori che producevano "falsi positivi". Abbiamo utilizzato una seconda radio, sintonizzata su una frequenza diversa da quella di Graves e la cui uscita audio misurava gli stessi transitori ricevuti dalla radio principale, generati da scariche elettrostatiche sia meteo (fulmini) che umane (motori, commutatori ecc...).

Qualora la seconda radio registrava un picco, il dato proveniente dalla prima radio veniva scartato. In tal modo volevamo essere pressoche' certi che tutti i dati misurati e registrati fossero echi meteorici.

- Versione con doppia radio ricevente -

- Output di una settimana di Rambo 4.0 -

RAMBO 5

Con la quinta versione abbiamo tentato di perfezionare questa tecnica, ma la grande differenza di sensibilita' tra le 2 radio in nostro possesso non ha portato ai risultati attesi.

RAMBO 6

Con la sesta versione siamo finalmente approdati ad un diverso e definitivo progetto. Ora Arduino non funzione piu' soltanto come un misuratore di ampiezza (V meter), ma simultaneamente agisce anche come frequenzimetro.

L'unione delle due funzioni permette di discriminare perfettamente tra meteore e transitori elettrici.
Con questa versione abbiamo ora un sistema che non soffre piu' dei "falsi positivi".
Inoltre abbiamo migliorato il circuito che permette la misura di ampiezza del segnale, misura che affiancata alla durata dell'eco ci fornisce l'informazione sulla massa del meteroide.

Un'ulteriore innovazione di Rambo 6 e' data dal passaggio ad ArduinoYun, apparato che permette inoltre di inviare quotidianamente i dati del giorno in forma di allegato ad una email.
In questa maniera i dati possono essere visti ed elaborati geograficamente in qualunque luogo via internet.

RAMBO 6.1

La scheda audio realizzata in occasione di Rambo 2 è stata rivista e portata come shield su un circuito stampato dedicato. Adesso il progetto è diventato facilmente replicabile.

Sara’ sufficente realizzare l’abbinamento ArduinoYun, scheda audio, radioricevitore ed antenna per realizzare un’altro osservatorio analogo a RAMBO.

Nella scheda sono stati inoltre inseriti, un potenziometro per la regolazione del livello audio e sette led per monitorare il funzionamento di Arduino in diretta.

- Hardware RAMBO - (Radioricevitore, Alimentatore, Rambo) -

- Microprocessore con gruppo filtri (1) -

- Microprocessore con gruppo filtri (2) -

- Radioricevitore -

L'antenna

Lo scopo dell'apparato è quello di misurare eventi che avvengono in una ben determinata porzione del cielo e cioè quella in quota a circa 100 km di altezza (quota di ignizione delle meteore) lungo la direttrice (Bologna-Digione) che unisce il trasmettitore con il ricevitore .

- Il lobo rosso rappresenta il guadagno di un'antenna -

Abbiamo provato diversi tipi d'antenna.

Qual'è l'antenna ottimale per il nostro scopo?

I nostri esperimenti ci hanno condotto a scegliere un'antenna direttiva: Yagi Tonna 20809 a 9 elementi (13 db di guadagno).

- Antenna Yagi Tonna 20809 -

Infatti, un'antenna a bassa direttivita' interessa una zona di cielo molto ampia, troppo maggiore di quella in cui avviene il fenomeno a noi interessato del meteor scatter. Una bassa direttività comporta inoltre un basso guadagno che penalizza la ricezione degli echi di bassa intensità.

L'immagine che segue mostra la differenza di segnale intercorrente tra la ricezione con antenna direttiva ed un'antenna omnidirezionale.

- Dal 17 al 19 giugno ricezione con antenna non direttiva -

Se l'antenna, però, è troppo direttiva (Yagi Tonna 20817 ad 11 elementi con 15,3 db di guadagno), abbiamo si' il vantaggio di aumentare il guadagno (lobo rosso piu' allungato ma piu' ristretto); il vantaggio e' limitato dalla sensibilità della radio che del microprocessore Arduino a valle. In particolare, però, si restringe troppo il "campo di vista".

Succede quindi che l'area indagata da un'antenna ad altissima direttività sia minore di quella in cui effettivamente avviene il fenomeno del meteor scatter.

L'immagine che segue mostra la differenza di segnale intercorrente tra la ricezione con antenna direttiva molto spinta (13 elementi) ed antenna direttiva meno spinta (9 elementi).

- Il 30 giugno ed il 1 luglio ricezione con antenna ad alta direttivita' -

Al termine dei nostri esperimenti ci sembra che un'antenna di buona direttivita' (7-8 elementi) sia la soluzione migliore.

Il "campo di vista" con quest'antenna è dell'ordine di qualche decina di grado quadrato (circa 20°).

La polarizzazione

Il trasmettitore di Graves emette con polarizzazione circolare e quindi è probabile che l'antenna migliore in ricezione sia un'antenna a polarizzazione circolare.

Ricevendo con un'antenna polarizzata linearmente si deve valutare quale sia la direzione più probabile di polarizzazione della portante dopo la riflessione in quota sul cilindro di ionizzazione.

Essendo questa ortogonale alla direzione del cilindro di ionizzazione occorre valutare quale sia la più probabile direzione che assumono i tracciati delle meteore in quota: cioè se più orizzontali o più verticali.

La nostra esperienza ci ha portato a vedere che il campo riflesso è maggiore con la ricezione in polarizzazione verticale.

- Il 2 luglio ricezione con antenna in polarizzazione orizzontale -

Quindi si desume, come del resto era presumibile, che le meteore descrivano con maggior probabilità tracciati paralleli al terreno che non ortogonali ad esso.