Projet de Radar Bi-static pour la détection et la localisation d’aéronef 2ème Partie

2 – DETECTION RADIO DES METEORITE

traduction du site http://www.pubdata.com.au/meteors/index.htm
avec l’aimable autorisation de son auteur ( Thank Bruce )

La Terre tourne autour du Soleil à environ 100 000 km / h, donc tout ce qui entre dans son atmosphère risque de souffrir. Un grain de poussière spatiale se retrouve soudainement frottant contre une quantité de plus en plus dense de molécules à environ 100 km au-dessus du sol. Ces frictions arrachent des électrons aux molécules et ainsi ionisent une portion de ciel. Le processus de refroidissement peut prendre seulement une fraction de seconde si la poussière de particules est petite, mais les particules les plus grosses génèrent plus d’énergie de sorte qu’elles peuvent prendre quelques secondes avant de refroidir. De nombreuses particules sont suffisamment chaudes pour produire de la lumière, c’est la raison pour laquelle nous pouvons voir la trainée.

rebondmeteorChaque météore laisse une brève trace haut dans l’atmosphère. Nous pourrions détecter cette lumière en utilisant nos yeux ou un appareil photo, des techniques qui sont fiables aussi longtemps que le ciel est sombre et pas très nuageux. Des détecteurs à infrarouge peuvent aussi fonctionner, mais sont soumis aux mêmes limites que les détecteurs de lumière visible dans les nuages ou la lumière du soleil. Dans le spectre électromagnétique, les choses deviennent plus prometteuses. Les longueurs d’onde ne sont pas submergées par des interférences solaires lors de la journée et peuvent pénétrer la couche nuageuse. Il s’avère que les fréquences dans la bande VHF basse, entre 40 et 150 MHz sont fortement réfléchies. Plus la fréquence est faible, plus longue et puissantes sont les réflexions.

Ce dont nous avons vraiment besoin, c’est d’une fiable et puissante source de signaux VHF et une simple installation de réception. Partout dans le monde il ya des milliers d‘émetteurs VHF 50-100 kW diffusant les signaux d‘émissions de télévision et radio FM 24 heures sur 24 entre 60 et 108 MHz. Malgré les efforts des concepteurs de l’antenne, une partie seulement du signal transmis par ces stations voyage près du sol. Le reste de celui-ci monte et, à moins que quelque chose croise son chemin, il continue dans l’espace interstellaire pour finir comme pollution électronique. De temps en temps un avion le reflète vers le sol, provoquant des ‘images fantômes sur les écrans de télévision et des grésillements dans les récepteurs FM.

Les avions volent rarement à plus de 10 km au-dessus du sol, si bien que les signaux ne se réfléchissent pas très loin. La distance de transmission normale pour une station TV ou FM est de quelques centaines de kilomètres au mieux, et la réflexion sur un avion peut doubler cette distance. Mais le passage d‘un météore se situe de 60 à 90 km au-dessus du sol, et pu permettre de refléter des signaux jusqu’à 2000 km. Il ya peu de chances qu‘en réception directe un signal dépasse la portée de 500 km, même par réflexions sur un avion. Les signaux reçus proviendront soit d’un météore ou de l’ionisation sporadique de la couche „E“ de l’ionosphère causé par l’activité solaire. Il est facile de faire la différence: une réception via la couche‘E‘ dure des minutes ou même des heures, alors qu‘une réflexion sur un météore dure rarement plus de quelques secondes.

Qu’en est-il des interférences? Les signaux vidéo TV sont en AM, et donc soumis aux interférences provoquées par le bruit électrique. Cela peut être vraiment gênant dans la partie basse des bandes VHF, en particulier s’il ya une route très fréquentés ou un complexe industriel à proximité. Les Récepteurs FM n’ont pas ces problèmes parce qu’à peu près toutes les interférences AM sont enlevées par leur étage de filtrage. Dans la pratique, peut-être la plus difficile source d’interferences à éliminer est la modulation croisée due à un émetteur puissant voisin. Dans les villes, cela peut être un sérieux défi à surmonter. Certains observateurs utilisent des préamplis avec filtres passe-bande , tandis que d’autres optent pour des approches plus subtiles. La mienne a été de mettre en place un site d’observation au fond d’une vallée à environ 80 km du plus puissant émetteur. Bien que cela ne soit pas nécessairement bon marché, cela fonctionnera.

Choisir un émetteur à écouter

Il faut essayer de trouver un émetteur entre 750 et 1500 kilomètres de votre position, et vérifier que la fréquence soit bien loin des stations locales. Ce n’est pas facile, car dans les endroits comme les Etats-Unis et l’Europe il est presque impossible de trouver des canaux libres. Vous devez essayer un par un chaque canal sur votre récepteur (chacun des 200 d’entre eux) et noter celui qui semblent être exempt d’interférence. Employer une station nationalement gérée en réseau a eu l’avantage que son signal peut être comparé au même contenu venant d’un émetteur local. Autrement il est assez difficile d’identifier une station quand les réflexions durent moins d‘une seconde et espacée de plusieurs minutes!

ANTENNE

Pour recevoir des signaux reflétés relativement faibles vous avez besoin d’une antenne, mais elle ne doit pas être spectaculaire. Une antenne appropriée est une yagi de trois ou quatre éléments couplés à une fréquence dans un mégahertz de la station vous avez choisi en tant que votre « émetteur de radar ». Elle doit seulement être quelques mètres au-dessus du sol et le pointage n’est pas important non plus, étant donné la largeur du lobe avant sur cette taille de yagi.

Il existe plein de logiciel pour calculer une antenne yagi. Un programme DOS appelé QuickYagi vaut la peine d‘être regardé. Une plus grande antenne apportera plus de signal, mais ce peut ne pas être une solution si votre récepteur est inondé par d’autres émetteurs. Il est plus utile de mettre un préampli à l’antenne pour augmenter le rapport signal/bruit. Pour le bas prix, la fiabilité, la facilité de la construction et l’utilisation, il est difficile battre le préampli VK5. (N’achetez pas les relais, nous n‘allons pas transmettre !) Cependant, il est difficile d’obtenir des informations sur ce kit, même du site Web de Division du VK5 du WIA. Une conception alternative est décrite sur le site d’Ilkke Yrjola (voir description application ci après)

yagiAntenne Yagi à 3 éléments calée sur 89 MHz, monté à 7 mètre au dessus du sol. Le préampli est protégé des intempéries dans un morceau de tube.

La construction d‘une antenne Yagi nécessite seulement des bases métallurgiques, et le seul problème de conception que j’ai eu concernait l‘étanchéité de la boîte de préampli. Par la suite j’ai utilisé une petite boîte d’aluminium montée à l’intérieur d’une longueur de 30 centimètres de 90 millimètres de tube PVC, couverte par un « toit » surplombé de feuille en plastique UV-résistante. Le fond a été laissé ouvert pour faciliter le refroidissement et pour vidanger toute la condensation ou fuites. L’assemblage est fixé à la perche d’antenne. Tous les raccordements sont enduits en bande adhésive et de silicone.

Employez du coaxial de qualité pour la connexion à votre récepteur, et ne gaspillez pas d’argent sur les connecteurs bon marché. Évitez les vieux types PL239 et SO239. Des connecteurs BNC ou F styles fonctionnent parfaitement. L’utilisation de connecteur type N n‘est pas recommandé a ces fréquences.

RECEPTEUR

Choisir un récepteur

La configuration décrite ci-dessous est très simple. C’est juste assez pour vous aider à démarrer, mais elle est limitée en raison de la large bande passante de ce type de récepteur. La construire vous permettra de prouver que votre installation fonctionne, de l’antenne jusqu’à l’analyse de données, mais il faudra ensuite travailler en bande étroite afin de récolter des données utiles. Plus de détails sur la façon de faire sont disponibles sur le site de Ilkka Yrjola (regardez dans la section MS observation avec radio VHF et d’ordinateurs. Incl. )

La plupart des autoradios ont une excellente sensibilité et, si que vous ajoutez un préampli à l’antenne, le signal-bruit n’est pas un gros problème. Choisissez un autoradio numérique et rien d’autre. Assurez-vous que la réception FM fonctionne. Un vieux récepteurs FM peut fonctionner, mais il doit être numérique (pour la stabilité) et sensibles. J’ai eu la chance d’acheter deux unités Pioneer pour un coût de 10 $, j’ai donc un autre récepteur avec des performances comparables prêt à prendre la relève si quelque chose se passe mal avec le premier. Si jamais je détecte un deuxième émetteur à suivre, ce récepteur peut être interfacé sur un autre port, ce qui fournit deux fois plus de données. (Voir la note sur les ports jeux et la foudre.)

radiopcSi vous avez accès à un fréquencemètre ou un récepteur numérique VHF, il convient de vérifier la précision des fréquences de l’autoradio avant de faire quoi que ce soit d’autre. La différence de fréquence de l’oscillateur local est généralement de 10,7 MHz plus haut que la plupart des fréquences de l’autoradio. (Par exemple, si l’écran affiche 100,0 MHz, l’oscillateur local devrait être opérationnel à 110,700000 MHz.) Si la fréquence est plus élevée de deux KHz, essayez un condensateur céramique dans les 2,2 à 47 pF en parallèle du cristal pour le ramener dans les clous.

J’ai construit mon récepteur dans un ancien ordinateur de bureau XT. Il a une bonne alimentation, le boitier est bien ventilé et il y a beaucoup d’espace pour tout monter. Cela rend l’ensemble de l’installation facile à transporter. La sortie d’antenne est connectée à une prise BNC dans une des fentes du panneau arrière, et les 2 fils du câble de données part de la fente à l’ordinateur contenant la carte d’interface (voir photo). Tous les fils électriques 5 et 12 volts sont connectés à un grand bloc domino monté au milieu de l’ordinateur. C’est inélégant, mais de cette façon il est facile de changer les choses sans un fer à souder, et que tout ça est très accessible. L’alimentation pour le préampli de mât est également intégrée (alimente le câble coaxial de la manière habituelle).

Configurer le récepteur

Connectez le haut-parleur de l’ordinateur à un des canaux audio du récepteur de sorte de pouvoir écouter si nécessaire. Vous utiliserez une sorte d’enregistreur de données pour consigner l’heure où notre système capte un signal. Cela signifie que nous avons besoin d’une sortie numérique, une fonctionnalité présente sur tout autoradio.

Nous sommes à la recherche d’un signal Mute ou, à défaut, une ligne AGC. Cela est facile à trouver si vous avez un schéma des circuits, mais il est peu probable que vous aurez cette chance. Prenez le temps de regarder la carte de circuit imprimé. Essayez d’abord d’identifier la section RF (la sortie d’antenne est un bon début), puis le synthétiseur de fréquence (probablement près d’un cristal) et les parties audio. Le signal que vous recherchez ne sera probablement pas dans ces sections, nous savons donc par ou ne pas commencer à chercher. Il est plus probable que ce signal soit à proximité d’un grand circuit intégré contenant les composants de démodulation IF. Il suffit de mesurer méthodiquement la tension sur chaque broche. Trouvez une fréquence d’une station FM et essayer de trouver une broche où le niveau de tension change lorsque vous passez à une fréquence non utilisée. Ne vous laissez pas berner par les tensions qui changent progressivement quand vous changez de fréquence: il s’agira probablement du contrôle de l’oscillateur local. Le récepteur Pioneer que j’utilise, ne semble pas avoir une ligne MUTE, mais l’AGC n’a pas été difficile à trouver. Il varie de +1,40 volts lors de l’absence de signal à +0,05 volts à la réception d’un signal fort.

INTERFACAGE

Interface de données

Il n’est pas nécessaire de se précipiter pour acheter un convertisseur A/N. Le signal auquel nous sommes confrontés est un signal binaire échantillonné 100 fois par seconde au maximum. Comme cela n’est pas très précis, il suffira de l’interfacer à l’ordinateur à à peu près n’importe quel port. J’ai choisi le port jeux comme il est assez basique électriquement et se trouve être disponible sur ma machine, mais la plupart des configurations utilisent un port COM. (Voir la note ci-dessous.) Si vous utilisez un Mac, son port série sera le choix évident.

J’ai utilisé un ampli op 741 comme comparateur afin de fournir des signaux logiques apte à être envoyé à l’ordinateur, mais le circuit ci-dessous est beaucoup plus facile à mettre en place et est capable de faire face au signal MUTE 0,5 – 5v du récepteur. Si la différence entre les signaux MUTE est faible il sera nécessaire de jongler avec les valeurs 1M/330K au niveau du diviseur de tension à travers l’entrée non-inverseuse pour obtenir une commutation fiable.
L’interface a été construite sur un morceau de veroboard et de l’énergie de l’alimentation XT. Il convient d’utiliser un optocoupleur pour isoler le récepteur de votre ordinateur, et vice-versa.

interface

Tenir l’ordinateur à distance du récepteur

J’ai eu la chance de trouver un DEC 486 bon marché qui a été conçu dans un boitier métal de haute qualité. Est-il utile? Sans aucun doute! N’importe quel ordinateur avec un boîtier en plastique non blindé aura beaucoup de mal à contenir les émissions RF. Même si il a été superbement conçu, il a été nécessaire de mettre un tore de ferrite sur câbles de données (quelques tours figure-8 pour le Haut-parleur). Mettre le récepteur à l’opposé de la salle aussi loin de l’ordinateur que possible, a également beaucoup contribué ainsi que de séparer les câbles de données à l’écart des autres. Cela aurait été beaucoup plus facile et plus propre électriquement si j’avais utilisé du câble de données blindé au départ.

Note: Un autre avantage d’utiliser le port jeux est qu’il vous donne quatre canaux d’entrée pour une adresse de port (201H, les bits 4 à 7). Il est donc facile d’enregistrer des données de plus d’un récepteur. La prochaine fonctionnalité est d’ajouter l’enregistrement de la présence d’orages électriques dans la région, comme une interférence pouvant détruire l’intégrité des données recueillies. Un simple récepteur AM accordé près de 500 kHz (mais sur une station émettrice) et connecté par le biais d’une interface appropriée le transforme en un bon détecteur de tempête. (Tout ce que vous devez noter est les très grandes impulsions.). Les logiciel d’enregistrement test simplement l’état du signal sur le bit du port Jeux utilisé et enregistre l’heure dans un fichier séparé en cas d’orage extérieur Ces données peuvent être superposées au graphique des passages de météorites pour constater une corruption des données causé par la foudre.

Le port Jeux a 4 entrées :

Channel

Pin

Pin

Bit

A

2

4

4

B

7

4

5

C

10

4

6

D

14

4

7

Quand un bouton est relâché, le bit correspondant est à 1.

Quand un boutton est appuyé, le bit correspondant est à 0

+5 volts disponible sur les broches 1, 8, 9 et 15

0 volts sur broche 12.

ENREGISTREMENT DES DONNEES

Bien qu’il existe d’autres solutions, il est évident d’utiliser un vieil ordinateur. Vraiment tous, du moment que vous pouvez conserver les interférences RF loin du récepteur. Même le plus lent XT ou tout premier Mac serait bien. (Si vous utilisez un Mac garder à l’esprit que les shareware Mac pour l’observation des météores semblent être assez rares).

Nous avons besoin d’ordinateur vraiment fiable, quelques Mo d’espace disque ou tout simplement une disquette, et un système d’exploitation qui ne plante pas deux fois par jour. Cette dernière exigence exclut sans aucun doute Win 95 ou 98, qui sont beaucoup trop instable pour ce type d’application. Utilisez MS- DOS dès la version 3,3 ou, si vous devez utiliser Windows, optez pour Windows for Workgroups. Mac Systèmes 6 ou 7 sur Mac. Si vous développez votre propre logiciel, vous seriez fou de ne pas utiliser Linux. Un autre avantage d’un ancien système d’exploitation est que, dans le cas d’une panne de courant, vous pouvez configurer votre machine pour redémarrer automatiquement en quelques secondes. La qualité d’affichage est sans importance, parce que 99% du temps le moniteur ne sera même pas allumé. Une faible consommation d’énergie est importante parce que ce dispositif fonctionnera 24/24. Un vieux portable utilisant une batterie rechargeable serait idéal.

Un logiciel d’enregistrement de données n’est pas si difficile que cela à écrire. On a juste besoin d’enregistrer quand chaque événement se produit et sa durée. Cela signifie l’échantillonnage de la sortie numérique du récepteur à intervalles réguliers.

La plupart des observateurs échantillonnent toutes les 10 à 40 ms, ce qui est dans les possibilités des plus lentes machines. Il est important d’enregistrer les données sur le disque, à intervalles réguliers, de sorte qu’un minimum soit perdu quand (pas « si ») il ya une coupure de courant ou plantage du système. Enregistrer vos données dans un format qui ne vous laisse pas avec des centaines de Mo de données à parcourir chaque mois. Cela peu être amusant le premier mois, mais cela va devenir une corvée inutile. Le but est d’avoir un fichier mensuel de 500K: que ce dernier puisse être sauvegardé sur une disquette. Mon logiciel utilise 16 octets pour enregistrer les temps (exprimée en nombre de secondes après minuit le 1 er Janvier 2000) et la longueur de la trainée en millisecondes. C’est probablement plus que ce qui est nécessaire, mais il s’agit de quelques centaines de kilo-octets par mois et laisse la possibilité d’analyser les données en détail si cela s’avère nécessaire. D’autres observateurs enregistrent juste le nombre de détections ainsi que la durée totale des réflexions toutes les dix minutes, minimum enregistré par le système de la NASA.

Analyse de données

Plus de talent est nécessaire pour écrire un logiciel d’analyse de données. La plupart peuvent écrire quelque chose qui produira un tableau simple et des résumés mensuels comme ci-dessous, tandis que d’autre avec du temps et du talent peuvent créer des applications suffisamment polyvalent pour afficher des jolis graphiques et des tableaux horaires utilisant un éventail de paramètres.

data

Exemple de tableau mensuel, publié dans le forum rec.radio.amateur.space

Notes:
1. Le temps universel est toujours utilisé, vous devez l’horloge de votre système sur l’heure GMT

Si vous pouvez vous passer du plaisir d’écrire votre propre logiciel d’analyse de données, une simple feuille de calcul suffira pour analyser vos données. Les informations les plus importantes sont d’enregistrer, pour chaque dix minutes, combien d’échos ont été détectés, ce qu’a été leur durée totale secondes, et la longueur du plus long écho au cours de cette période. Cette information est mieux sauvegardée dans une variable, séparée par des virgules (CSV) pour importer dans une feuille de calcul. Un exemple de fichier de sortie typique ressemble à ceci:

355530, 0.012, 11, 0.2
355540, 0.002, 4, 0.025
355550, 0.003, 5, 0.075
355560, 0.001, 3, 0.025
355570, 0.005, 5, 0.2
355580, 0, 0, 0
355590, 0, 1, 0.025
355600, 0.005, 5, 0.175
355610, 0.001, 2, 0.025
355620, 0.006, 2, 0.35

La première colonne contient le début d’observation en minutes depuis le 1 janvier 2000 à minuit

La seconde colonne contient la durée totale des réflexions en seconde

La troisième colonne contient le nombre de détections sur cette période.

La quatrième colonne contient la durée de la plus longue réflexion sur cette période.

Alternatives
Le finlandais Ilkka Yrjola a mis à disposition un logiciel d’exploitation des données pour DOS, avec bien plus d’informations que je pouvais peut-être fournir ici. ( Traduction réalisée avec l’accord de l’auteur )
• Un autre bon programme Meteor v.4, ( la documentation en français). Son compagnon d’analyse Colorgramme est également disponible, et les deux pourront bien répondre à tous vos besoins.

• R_Meteor est conçu pour être utilisé avec des cartes Winradio ou avec des cartes son connectées a un récepteur accordé à une station AM. Il affiche la réflexion du à la ionisation et d’autres objets en mouvement à l’origine de réflexions. (Vous pouvez aussi l’utiliser pour détecter les avions à des milliers de kilomètres, mais c’est tout à fait un autre sujet.) Si vous ne parvenez pas à trouver un émetteur VHF pour surveiller, la technique sur ondes courtes pourrait être une bonne alternative.