ЛЮБИТЕЛЬСКИЙ РАДИОТЕЛЕСКОП - РУКОВОДСТВО ПО СОЗДАНИЮ

[GRASIS]

... В нашем варианте будут использованы или рубидиевые стандарты , - 10Е-12, или термостатированные кварцевые генераторы со стабильностью до 10Е-11. Уже в этом направлении ведутся эксперименты.

... Поворот антенн за Солнцем производился с помощью 2-х актуаторов по азимуту и углу, управляемых микроконтроллерами.

Александр! Я так понимаю, что "в нашем варианте" термостатированные генераторы будут применяться неизбежно. Тогда, с учетом этого необходимо предусмотреть и соответствующую мощность блока питания и корпус с запасом внутреннего объема. Я правильно понимаю?

Второе. Крепления антенн должны быть моторизованными с компьютерным управлением? Это наподобие мотризированных монтировок? Можно ли как нибудь в перспективе более подробно осветить этот вопрос. Есть ли уже какие-либо конструктивные разработки в этом направлении. В какой мере можно будет использовать имеющиеся монтировки, например, ХЕК-5? Спасибо.

[shicl]

Сомневаюсь. Возможно ли размещение транзисторов усиливающих сигнал I2C на одной плате с опорным генератором или лучше их в другом месте смонтировать?

Второе. Какая частота следования максимальная на шине I2C? Под рукой есть транзисторы с граничной 120 МГц, подойдут?

Ну очень не хочется в магазин тащиться. Сибирская зима наступила!

[Alex Plaha]

Конечно возможно, во первых I2C только для программирования частоты, а это мы будем делать перед наблюдениями, т.е. во время наблюдений никаких наводок от тразисторов не будет. Даже если во время наблюдений попытаться изменить частоту, то работа I2C  на килогерцах никак не повлияет на работу РТИ.
Транзисторы любые типа кт315.

[Alex Plaha]

... В нашем варианте будут использованы или рубидиевые стандарты , - 10Е-12, или термостатированные кварцевые генераторы со стабильностью до 10Е-11. Уже в этом направлении ведутся эксперименты.

... Поворот антенн за Солнцем производился с помощью 2-х актуаторов по азимуту и углу, управляемых микроконтроллерами.

Александр! Я так понимаю, что "в нашем варианте" термостатированные генераторы будут применяться неизбежно. Тогда, с учетом этого необходимо предусмотреть и соответствующую мощность блока питания и корпус с запасом внутреннего объема. Я правильно понимаю?

Второе. Крепления антенн должны быть моторизованными с компьютерным управлением? Это наподобие мотризированных монтировок? Можно ли как нибудь в перспективе более подробно осветить этот вопрос. Есть ли уже какие-либо конструктивные разработки в этом направлении. В какой мере можно будет использовать имеющиеся монтировки, например, ХЕК-5? Спасибо.

Да GRASIS, если есть такая возможность, то можно и предусмотреть. Хотя до начала реализации любительского РСДБ, необходимо закончить создание РТИ-1 в этой теме.
Я пробовал использовать EQ6 для наведения и ведения антенн. При долгом сопровождении объекта,  антенны на экваториальной монтировке так выворачивались,  что при этом меняли свою поляризацию приема. При изменении поляризации во время наблюдений менялась и картинка корреляции. А это лишние сложности при расчетах. В общем для РСДБ лучше делать азимутал. А сейчас, для РТИ-1 это вообще не надо.

[shicl]

Сегодня продвинулся немного. Общий вид вырисовывается.

[shicl]

Александр, тюнерам подключаем три питания:

3-5В
5-5В
7-12В

питание МШУ 1 нога 12-18В оставляем без подключения?

[Alex Plaha]

Да, к тюнерам подключаем все три питания на указанные ножки. 3 и 5 ногу можно соединить вместе на самом тюнере. Не забываем, прежде чем припаивать провода питания  к ножкам тюнера сделать несколько витков на ферритовых колцах, для каждого провода питания в отдельности!
1-ю ногу пока оствляй без питания. Когда у тебя будут реальные МШУ, тогда и определишся с питанием на 1-ю ногу тюнера.
Получается очень даже симпатично.
Неужели придется проводить испытания, крутить антенны,  в страшные Омские морозы?

[shicl]

Неужели придется проводить испытания, крутить антенны,  в страшные Омские морозы?

С питанием тюнеров понял. Морозы испытания не должны остановить, конечно, если не будет 40 градусов.

[shicl]

Вот нашел:
LORS – КАТАЛОГ ИЗБРАННЫХ РАДИОИСТОЧНИКОВ, 
ДОСТУПНЫХ ДЛЯ ЛУННЫХ ПОКРЫТИЙ

http://www.gao.spb.ru/russian/publ-s/izv_gao/izv_gao_219_1.pdf

Пригодится!

[boangri]

Всем привет!

Тема очень интересная. В свои молодые годы я мечтал обнаружить радиоизлучение из космоса, увы это было очень давно - когда ни интернета, ни спутникового телевидения не было и в помине. А теперь выходит это в принципе реализуемо...

И тем не менее я пока не готов взяться за изготовление РТИ. Останавливают 2 вещи:
1. Необходимость лазить по крышам в поисках тарелок и выпаивать микросхемы (тюнеры). Этого я не умею.
Да и не верю что удастся найти прямофокусную антенну, да еще в 2 экз.
2. Самое главное - я не разобрался в деталях как РТИ работает,  а я не люблю делать то, что до конца не понимаю.
Конкретно неясно: - где и как используется, что сигнал квадратурный. А если бы была одна амплитуда - можно ли было сделать РТИ?
Какое у нас время накопления? Чем оно определяется?
Какова теоретическая чувствительность этого проекта, т.е. какой минимальный поток (ян) можно обнаружить?
И главное мне нужна не конечная цифра, а понимание расчета, в результате которого она появляется.

И еще ряд вопросов:
- РТИ работатет на волне водорода 21 см. Это что-то дает? Вообще то спутниковые тарелки расчитаны на работу с частотой
примерно на порядок больше. Длина волны  20 при диаметре 100 дает ширину пучка около 10 градусов, многовато.
Кстати непонятно тогда, почему не использовать оффсетные тарелки - уж с такой точностью (10гр) навести не проблема.
Мне кажется что работа на волнах 2-3 см позволит гораздо эффективнее использовать тарелки и выиграть по отнош. сигнал шум.

Что касается следующего этапа - создания любительской сети РТ. Непонятно, элементами такого распред. интерферометра
будут интерфрерометры типа РТИ или достаточно одной половинки от него?

И еще выскажу свое очень частное и возможно спорное мнение - успех затеи будет сильно зависеть от массовости, а она в
свою очередь будет зависеть от доступности реализации РТИ. Пока мне кажется он доступен лишь единичным энтузиастам.
А вот если бы наладили мелкую серию, чтобы желающие могли купить готовый набор радиоэлементов и печатных плат для
самостоятельной сборки (или даже готовые блоки ) - тогда бы другое дело.

Кстати, а нельзя ли сделать РТИ на базе 2-х стандартных комплектов спутникового телевидения (типа "радуги" - у нее тарелки большие) чтобы
свести к минимуму копание в старом хламе на радиорынках, лазание по крышам, выпаивание тюнеров и прочие приключения?

[Alex Plaha]

ОТВЕЧАЮ…
Квадратурный выход дает возможность получить комплексную корреляцию сигналов с двух антенн, реальную и мнимую. По комплексным данным можно построить спектр сигнала, и функцию видности  для получения точек на UV-плоскости. Это необходимо для построения радиоизображения.  Без квадратуры спектр не построишь, хотя интерференционные лепестки и транзиты радиоисточников через  диаграмму антенн  наблюдать можно.

Время накопление определяется количеством усреднений для построения одной точки на графике корреляции. Чем больше усреднений,  тем ниже опускается шумовая дорожка, и лучше вытягивается полезный сигнал на фоне шума.

Теоретических данных никаких не расчитывалось.
Минимальный поток на антенне 1.5м, который  я обнаружил  экспериментальным путем исходил от Vir_A (Дева А, М87).
Абсолютные значения потоков ниже приведенных радиоисточников я тоже 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

Для теоретического осмысления изучайте http://astro-archive.prao.ru/books/showBook.php?idBook=73

Частотный  диапазон РТИ ограничен применяемыми тюнерами 950-2150Мгц.

Офсетные тарелки сложней наводить.  Фокус настраивать и  облучатель делать тоже сложней.  Отношение F/D у них 0.5 и больше, значит и боковых лепестков больше.
Хотя если хотите можно и с офсетными.

Для работы в любительской сети РТ,  достаточно одной половинки РТИ-1.

Одно из главных приемуществ проекта, применение готовых цифровых тюнеров промышленного производства, которые используются в спутниковых ресиверах, т.е.  нет необходимости паять и изобретать сложные СВЧ схемы. 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.

Если Вы не умеете выпаивать микросхемы (тюнеры), то  готовый набор радиоэлементов и печатных плат для самостоятельной сборки не поможет.
Остается один путь наименьшего сопротивления, строить наш РТИ-1.

Радиотелескоп можно сделать из чего угодно, но это тема другого проекта.

[boangri]

Alex, спасибо за ответ и за ссылку на книжку.

А нельзя ли все таки использовать спутниковую тарелку с ее облучателем "как есть", без всяких переделок?
Насколько я представляю, спут. телевидение вещует в диапазоне около 10-12 ГГц, и в облучателе эта частота
преобразуется в промежуточную, (возможно как раз в диапазоне тюнера 1-2ГГц).
Чем этот сигнал не годится? Плюсы  - никаких проблем с тарелкой (поиски больших прямофокусных тарелок,
свои облучатели и предусилители), далее гораздо более острая диаграмма направленности.

Что касается моего предложения наладить выпуск готовых печ. плат и наборов элементов к ним.
Я разумеется имел в виду не самостоятельную сборку тюнера, а ту относительно несложную часть,
которая стоит после нее. Многие ( в том числе и я) готовы спаять несложные радиосхемы, а вот выпаивание
элементов требует доп оборудования (отсоса) и навыков.

Думаю многих заинтересовал ваш проект, но смущает то, что с одной стороны непросто
найти необходимые комплектующие, а с другой стороны РТИ позволяет провести лишь очень ограниченное
число наблюдений, в отличие например от оптического телескопа.
Ну снял 4 интерферограммы (в течении одних суток) и что дальше?
Хотелось бы иметь возможность быстро собрать РТИ из 2-х наборов спутникового телевидения,
сделать наблюдения и опять все вернуть в штатное состояние.

[shicl]

По вопросу выпаивания элементов, отсосов и т.п.

По большому счету тюнеры можно и выломать плоскогубцами из платы, конечно, аккуратно. Элементы из тюнеров я, например, не выпаивал а тонкими бокорезами удалил, пинцетом поправил, под лупой проконтролировал.

Надо просто попробовать и все состоится!

К вопросу об ограниченности наблюдений. С утверждением не согласен. Вот как я вижу:
- измерение параметров самого РТИ радиоастрономическими методами
- подтверждение существующих теорий, например, факта расширения вселенной и т.п. Практически все можно повторить, что сделали профи, пусть с меньшей точностью.
- измерение расстояний между материками
- метод лунных покрытий
- вопросы физики плазмы

Понятно, что об открытиях речь не идет. Но можно повторить исследования Папалекси и Шкловского! Неужели мало.

Вот если бы удалось

[boangri]

А нельзя ли все таки использовать спутниковую тарелку с ее облучателем "как есть", без всяких переделок?
Насколько я представляю, спут. телевидение вещует в диапазоне около 10-12 ГГц, и в облучателе эта частота
преобразуется в промежуточную, (возможно как раз в диапазоне тюнера 1-2ГГц).
Чем этот сигнал не годится?

Кажется понял. Наверняка гетеродины обоих облучателях должны быть синхронизированы,
а этого добиться вряд ли возможно.

[shicl]

А нельзя ли все таки использовать спутниковую тарелку с ее облучателем "как есть", без всяких переделок?
Насколько я представляю, спут. телевидение вещует в диапазоне около 10-12 ГГц, и в облучателе эта частота
преобразуется в промежуточную, (возможно как раз в диапазоне тюнера 1-2ГГц).
Чем этот сигнал не годится?

Кажется понял. Наверняка гетеродины обоих облучателях должны быть синхронизированы,
а этого добиться вряд ли возможно.

Синхронизацию можно придумать, только масло масляное получится - в приемнике опять сигналы от двух антенн синхронизировать будем - неоправданное усложнение конструкции+шумы дополнительные

[boangri]

В  РТИ для ввода данных в компьютер применяется однобитовая дискретизация (квантование) сигналов  тюнеров. 

Правильно ли я понимаю - фактически мы смотрим только на знак сигнала, если +, получаем на выходе 1, если -, то 0 ?
Каждый отсчет таким образом будет представлять собой 4 бита - I, Q для каждого канала.
И как далее эти данные суммируются по всем измерениям?
Сколько времени длится накопление (каково число отсчетов?)

Могу предположить что берется сумма чисел (I1*I2 + Q1*Q2) где Q и I равны +1 или -1 в зависимости от знака сигнала. Верно?

[Alex Plaha]

Входные значения  коррелятора получают значения 1 или  0 в зависимости от положительного или отрицательного напряжения сигнала.
N будет означать число отсчетов, прошедших через коррелятор. Средний коэффициент  двухуровневой корреляции равен

 P=(N11+N00) – (N01+N10)/N
 
где N11 — среднее число выборок,  в которых обе  выборки имеют значение 1 т.е. совпадают,  N10 — среднее число выборок,  в которых выборка  х  имеет значение 1,  а выборка  у — значение — 0 т.е. не совпвдают и т. д. Знаменатель в выравыражении  равен  выходному  значению,  которое получилось бы в случае,  когда значения во всех парах входных выборок совпадают.

Далее мы применяем  известное соотношение ван Флека ,  позволяющее по измеренной корреляции P  восстановить P2 – реальную корреляцию неквантованного сигнала. Для малых значений P2 пропорционально P.

P = 2/Пи*arcsin(P2)

Этот результат был впервые получен ван Флеком во время второй мировой войны при изучении спектра мощности сильно ограниченного шума, использовавшегося при постановке электромагнитных  помех. Работа была засекречена и опубликована много лет  спустя (Van Vleck and Middleton, 1966).

На простом языке, корреляция есть среднее арифметическое разности  между средним количеством совпадений и средним количеством несовпадений .

[boangri]

Я попытался оценить чувствительность нашего РТИ-1. Все таки я считаю, что даже в основе любительского проекта всегда должен лежать расчет.

Ясно, что чувствительность определяется уровнем сингал/шум. Для оценки мощности шума я использовал известную формулу Найквиста для теплового шума. В реальных условиях шум конечно всегда больше, так что тепловой шум можно использовать как оценку снизу.

Короче вот что у меня получилось:

минимальный регистрируемый поток = 4*Пи*k*T/S/sqrt(N), где k - постоянная Больцмана, T - температура приемника (в кельвинах, около 300гр), S - эффективная площадь антенны, sqrt(N) - квадратный корень из числа отсчетов.

В этой формуле надо оценить N (Поскольку Alex не называет это число). Попробуем это сделать. За секунду мы получаем 3млн отсчетов. (исходя из скорости работы USB) Сколько мы можем копить? Примем длину волны 30 см
а базу (расстояние меж тарелками - 10м) Отношение 0.3/10 - это угол, на который должна повернуться Земля чтобы прошел 1 период интерферограммы. Чтобы получить реальный график, надо иметь не менее 10 отсчетов на период интерферограммы. Получим угол (в радианах) = 0.003. На такой угол Земля поворачивается за 40 секунд. Таким образом получаем число N = 100млн.

Подставив все в формулу, я получил поток 500 ян. Проясню, при этом амплитуда интерферограммы будет примерно равна амплитуде шумовой дорожки.

Если интересно, могу привести вывод исходной формулы. 

Кстатаи насчет использования квадратур I и Q - получается что мы просто удваиваем число отсчетов, сама же информация о фазе не учитывается.

[boangri]

Для полноты картины приведу подробности своего расчета.

Оценим величину, приведеную Алексом:
P=(N11+N00) – (N01+N10)/N

Пусть на шум, распределеный по гауссу, накладывается наш полезный сигнал u, который мы хотим детектировать.
Плотность вероятности распределения нормальной величины возле нуля равна 1/sigma/sqrt(2пи) (экспонента дает просто единицу). Поэтому при наложении полезного сигнала мы получим след. вероятность обнаружить положительное напряжение: 0.5 + u/sigma/sqrt(2пи), а отрицательное - 0.5 - u/sigma/sqrt(2пи).
Вероятность что оба напряжения будут положительными - (0.5 + u/sigma/sqrt(2пи))*(0.5 + u/sigma/sqrt(2пи)),
а вероятность что оба - отрицательными - (0.5 - u/sigma/sqrt(2пи))*(0.5 - u/sigma/sqrt(2пи))
Сложив эти вероятности мы получим 0.5 + u*u/sigma/sigma/пи,
и соответсвенно вероятность получить разнополярные результаты будет 0.5 - u*u/sigma/sigma/пи
Сделав N измерений мы получим для величины P значение = 2/пи *u*u/sigma/sigma
Кстати u*u/sigma/sigma - не что иное как отношение сигнал/шум.

При каком отношении сигнал/шум мы сможем детектировать полезный сигнал? Если мы сделаем N измерений, то даже в отстутствии какого-либо полезного сигнала мы получим некоторую ассиметрию в силу статистических флуктуаций. А именно, значение P будет равно 1/sqrt(N). Поэтому чтобы выделить полезный сигнал на фоне флуктуаций, он должен давать как минимум такую же ассиметрию P.

Получаем условие: 1/пи*u*u/sigma/sigma >= 1/sqrt(N) или другими словами
Pсиг/Ршум >= пи/sqrt(N)

Подставляя для Pшум формулу Найквиста 4*пи*k*T*deltaF (deltaF - полоса частот)
и выражая Pсиг через поток J*Sантенны*deltaF
получим условие для потока J >= 4пи*k*T/Sант/sqrt(N)
(полоса частот выпадает)

[Alex Plaha]

Спасибо за теоретический расчет.

Но эти расчеты были проделаны в книге "Интерферометрия и синтез в радиоастрономии" и мы их  использовали перед постройкой первого РТИ. Часть формул из этой книги  используется в программном обеспечении для РТИ. Вы правильно написали, что "В реальных условиях шум конечно всегда больше". Особенно когда в 10км от моего РТИ находится военная РЛС и аэропорт. Поэтому точно оценить отношение сигнал/шум невозможно. Для увеличения этого отношения в реальных условиях работы РТИ только теория не поможет.  Благодаря применению  разных видов  фильтрации на программном  и на железном  уровнях  РТИ работает и в этих условия, и галактика М87, у которой поток 250Ян на 1145Мгц наблюдается даже днем!

Так, что все давно расчитано не нами, а мы только потребляем готовые плоды этих расчетов.