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尝试被动雷达监测流星

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发表于 2015-7-16 21:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
方法参见 http://britastro.org/radio/downloads.html  里的几个PDF,接收机是RTL电视棒+软件接收机,天线是挂在阳台上一段用电缆临时做的coaxial dipole,所用软件见网站,总成本不到100元。国内常年开机的可用信号源是地球物理所电离层监测用的几个站点,各站VHF流星雷达频率可以网上或论文上查到,功率20-40KW。国内隶属不同系统和机构的流星雷达非常多,中东部几乎全覆盖,我这里省内就有隶属不同系统的两个站,设备多数是澳大利亚货,但常年开机的不多,周边最强的是台湾中央大学中坜站的120KW、52.2Mhz,不过他们关心的是上层大气气象问题而不是流星,因为微流星每天几乎不间断都有。
截下的图是对准一千公里外三亚站47.5Mhz的频率,40-50Mhz是流星监测的最佳频率,但也容易受电离层变化影响,因此解读谱图和英国网站使用140Mhz有所区别。



capt1507161236.jpg
capt1507161251.jpg
发表于 2016-2-1 00:24 | 显示全部楼层
hi, 楼主,可否问一个私人问题,你是学生还是已经工作了,如果你还是大学生,如果有兴趣可以到我们实验室读研究生,地球物理所 中科院地球与行星物理院重点实验室,可私信我你的其它联系方式。我所在用户组没私信权限

点评

ddv
哦,谢谢,已过读书年纪了,非天文专业,纯爱好者  详情 回复 发表于 2016-2-26 15:23
oo  详情 回复 发表于 2016-2-1 23:44
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 楼主| 发表于 2015-7-18 15:42 | 显示全部楼层
软件定义无线电SDR,由ADC采样的无线电信号用计算机做数学运算实现传统无线电接收机的功能。理想的SDR由ADC和软件组成,实际的SDR因为ADC工作频率有限,有一个高频前端(调谐器),接收的信号变频到ADC的工作频率再交软件处理。
市面上除专业半专业的SDR硬件外,x宝50元一个的rtl2832u电视棒很流行,这类东东国内外统称为rtl sdr,rtl2832u原是为电视接收设计的,被黑客改驱动程序后可用作SDR接收机,内有2路8bit ADC,c工作频率上限14Mhz,可用带宽2+MHz。配套的高频前端(tunner)芯片市面上有E4000,FC0012,FC0013,R820T,R820T2几种。E4000是早期芯片,可工作到65-2200MHz,内有两路正交接收电路,用两个以上E4000可改造为相位相干接收机,可用于复杂信号处理,不过这种电视棒已经断货了,FC0012、FC0013稍低端。R820T/T2是目前市场主流,工作频率24-1766MHz,灵敏度比E4000略高,但内部只有一路通道,R820T2相对820T在1GHz以上性能有所改进,其余雷同。
插上RTL电视棒后windows会安装一个原厂驱动,要替换为改动过的第三方驱动,下载地址: http://zadig.akeo.ie
其他程序:
SDR接收机软件SDR#,下载地址:http://sdrsharp.com
装了这个软件用电视棒送的那个小天线,可用来收一些信号了,例如本地的调频广播
频谱分析软件Spectrum Lab,用于音频信号分析,自身也可做sdr接收机用,但cpu耗用很高,下载地址:http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html 这个软件功能强大,配置复杂,还在研究中
虚拟音频线驱动,这个是可选的也可用直接用内部声卡的混音器(默认是禁用的需打开),用于绕过windows混音器在两个程序间传输音频信号,百度盘:http://pan.baidu.com/s/1kTAaYYb

E4000内有90度正交的两个高频通道。R820T内部只有一个通道,RTL2832u中的DAC Q通道空置 ...

E4000内有90度正交的两个高频通道。R820T内部只有一个通道,RTL2832u中的DAC Q通道空置 ...

50RMB 24-1700 Receiver

50RMB 24-1700 Receiver

SDR#

SDR#
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发表于 2015-7-16 21:40 | 显示全部楼层
好高端的样子
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 楼主| 发表于 2015-7-16 22:04 | 显示全部楼层
国内没人尝试而已,设备所需却是极简陋的,欧洲很多人在做,每天自动上报监测结果,因为几乎不要什么特别的设备,参考 https://www.youtube.com/watch?v=mFudxzHIaXg
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 楼主| 发表于 2015-7-16 22:08 | 显示全部楼层
本帖最后由 ddv 于 2015-7-16 22:10 编辑

设备就是这个,50Mhz频道天线尺寸有点大了,有三米宽,刚抓到一个...
rtlsdr_QS_FSC_USB_DVB-T_sm.jpg
捕获.JPG
capt1507161405.jpg
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发表于 2015-7-16 22:40 | 显示全部楼层
终于在这里看到有人玩SDR了,这东东灵敏度不算好,只能接收一些强信号,不过倒是很好玩的。
上面我说的SDR是指软件定义无线电(software defined radio)
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 楼主| 发表于 2015-7-16 23:17 | 显示全部楼层
细节不错,但如何解释谱图还得需要探讨:宽的多普勒平移(+-数百Hz)回波,紧接着是数十Hz频移的强回波,看起来还有点震荡的样子
capt1507161440.jpg
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发表于 2015-7-17 03:34 | 显示全部楼层
真高端!
楼主上上制作流程吧!
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 楼主| 发表于 2015-7-18 13:42 | 显示全部楼层
本帖最后由 ddv 于 2015-7-18 13:44 编辑

科大学生网上搜到个pdf大致解释了前向散射 http://staff.ustc.edu.cn/~bjye/em/student/2005/gj.pdf 。基本上流星前向散射信号包括流星体冲击波散射(反射)的信号和流星尾和余迹电离物的散射(反射)的信号,流星体本身太小,被动雷达灵敏度不足以检测。一般而言流星体速度15-70km/s,前向冲击波的速度稍慢一点,流星尾和流星余迹电离物的速度大约在1km/s数量级,有了速度就可用多普勒频移识别信号,区分其他干扰,实现流星检测。流星散射信号与无线电波频率也有关系,在VHF频段,频率越低散射能力越大,散射量和频率的2次方成反比,流星对无线电波的散射能力可以到~300MHZ,综合各种因素30-60MHz段是检测流星散射的最佳频率,流星/电离层雷达和早年曾作为重要通信手段的流星余迹通信都在这个频段。
在欧洲,因为法国空军有一个常年开机用于监测卫星和空间碎片的100KW级143MHz连续波雷达,半个欧洲的流星监测机构都在利用这个雷达的电波信号。国内可用信号公开的不多,一般找频谱结构简单,频率在30-150MHz间,功率大距离合适的信号就可:各种连续波或简单调制的频标,脉冲简单的VHF雷达,常年开机的通讯电台,1-5频道模拟电视信号的视频载波,航空导航的VOR台等都可用尝试。调频电台的FM信号频谱复杂,没有固定载波,需要两路相干接收机处理后才能做分析,很麻烦。
硬件包括天线,fm带阻滤波器,电视棒,+任何SDR接收软件和音频频谱分析软件,我用的是SDR#和Spectrum Lab,都是免费软件。
因为电视棒是24MHz-1.7GHZ的宽频带接收机,城市里最大的无线电干扰源是调频广播和GSM电话信号,所以天线和电视棒间插入了一FM陷波器。



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 楼主| 发表于 2015-7-18 19:38 | 显示全部楼层
接下来就是可用的无线电信号问题了,这个问题很麻烦,只能用第三方信号,找到一个稳定又有足够功率“照亮”流星,距离又合适的信号不容易。大体可用的在50MHz-150MHz之间。天线最好使用八木天线,一般3-5单元比较合适,我尝试50MHz频率的,天线尺寸大了点,只好做了个一个1/2波长偶极天线,真正的流星雷达,在这个频段一般用两单元八木天线,好在50MHz时流星散射能力是150MHz的9倍,还是够用了,但会有些干扰。

信号处理:用多普勒公式∆F/F=V/c (∆F是多普勒频偏,F是基频,c为光速,V为观测物体的速度) 估算一下,1KHz的频移在50MHz对应的速度为6km/s,在150MHz为2Km/s,这样2-4KHz的接收机带宽足以满足观测流星前向散射目标速度1-10km/s级的要求,分辨率按10Hz计,相当于60-20m/s,等于60-200km/h速度,勉强够分辨飞机这样的“慢”目标了。


软件设置:
1、SDR#里最好把AGC关掉,视情况手动调节增益,一般30上下比较合适,如果增益不够,考虑天线是否合适,必要时可考虑在RTL前面增加一级LNA和适当的滤波器。
2、频率要校准,电视棒的晶振频率不可能非常准,误差大的有几十ppm,同时民用发射系统的频率也会有偏差,我们的用途里需要保证调谐到1KHz以内,要求还是蛮高的。如果有基准信号,最好校准一下,校准前让电视棒工作几分钟,达到热平衡,热平衡后倒很稳定,漂移<3ppm。
3、SDR#的Radio部分设置为USB或LSB模式(SSB上或下边带),带宽设置为3000-4000Hz,以接收法国Grave雷达的143.050MHz频率为例,使用USB模式时接收频率设置为比载波频率低1-2KHz,如143.048MHz,使用LSB模式时高1-2KHz,如143.052MHz。这样可以保证载波信号处于接收机带宽的中央。这时如果无多普勒频移的信号进来会输出一个1-2KHz的音频单音,这个1-2KHz的音频信号传输到频谱分析软件里,做为零频偏基点,这个基点上下视为正负频偏,可分辨目标是“飞来”还是“飞走”。
4,Spectrum Lab目前使用默认设置,设置带宽3000-4000Hz,中点(fc)大致为上面的那个SSB偏移的1-2KHz,SDR#输出的音量要调到合适,我使用虚拟信号线,只开了2格。
目前就是这样的设置,Spectrum Lab还支持脚本语言,可设置触发条件自动记录(谱图,音频,事件等),还有统计上传等功能。这个得慢慢研究了。

USB模式设置比载波低1.5Kz

USB模式设置比载波低1.5Kz

ZOOM FFT里Enable IF,方便观察频率调整是否合适

ZOOM FFT里Enable IF,方便观察频率调整是否合适

Spectrum Lab的音频IO设置

Spectrum Lab的音频IO设置
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 楼主| 发表于 2015-7-19 12:50 | 显示全部楼层
这几天用30-50MHz不同类型的无线电信号观察,这个频率区间远近不同的各类无线电信号几乎都有被流星干扰的现象,30MHz段流星特征的干扰信号比50MHz段多得多,但30MHz段电离层变动的影响太大,45-55MHz频段应该是监测流星的最佳频率了。频率再高,一方面散射能力减小,另一方面城市里特有的各类无线电的干扰也密集了。

本地一导航信号的流星散射

本地一导航信号的流星散射

散射vs频率

散射vs频率
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发表于 2015-9-4 10:02 | 显示全部楼层
好文,收藏了。
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发表于 2015-12-4 11:26 | 显示全部楼层
带有前置放大器的频谱仪搞这个流星监测不知道效果咋样?
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发表于 2015-12-4 13:35 | 显示全部楼层
国内搞这个。,会被共党拆了的!!!
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发表于 2015-12-4 21:59 来自手机 | 显示全部楼层
楼主很专业!
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发表于 2016-2-1 23:44 | 显示全部楼层
liguozhu 发表于 2016-2-1 00:24
hi, 楼主,可否问一个私人问题,你是学生还是已经工作了,如果你还是大学生,如果有兴趣可以到我们实验室读 ...

oo
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发表于 2016-2-2 09:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 liguozhu 于 2016-2-2 09:04 编辑

有一定光学或无线电观测基础的,对流星天文感兴趣的,应届大学本科生 如有意读我们室研究生的可私信我联系方式qq之类的 (科学院现在导师给博士生每个月的津贴能到3k+)
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 楼主| 发表于 2016-2-26 15:23 | 显示全部楼层
liguozhu 发表于 2016-2-1 00:24
hi, 楼主,可否问一个私人问题,你是学生还是已经工作了,如果你还是大学生,如果有兴趣可以到我们实验室读 ...

哦,谢谢,已过读书年纪了,非天文专业,纯爱好者
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发表于 2016-2-26 15:34 | 显示全部楼层
您好,我给您发了私信,方便的时候看一下,谢谢
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