Sistema de radio portatil para el registro automatizado de actividad meteorica

Martinez Picar, Antonio Martinez Quevedo, Franklin

El Ing. Antonio Martínez Picar es especialista en telecomunicaciones Digitales, adscrito al Departamento de Comunicaciones de la Escuela de Ingeniería Eléctrica “Melchor Centeno” de la Universidad Central de Venezuela, antoniomartinezp@yahoo.com;

El MSc. Franklin Martínez Quevedo desempeña sus actividades en el mismo departamento y misma Universidad, fmart@elecrisc.ing.ucv.ve. respectivamente.

Resumen:

Las ondas radioelectricas que inciden sobre trazas de particulas ionizadas generadas por meteoroides al penetrar la atmosfera terrestre experimentan un proceso de dispersion o scattering electromagnetico. El mecanismo de dispersion oblicua (o forward–scatter) explica la manera en que estas trazas meteoricas pueden ser utilizadas para establecer enlaces de comunicacion de largo alcance. El presente trabajo describe el diseno y establecimiento de un dispositivo portatil que, fundamentado en este mecanismo de propagacion, permite registrar automaticamente la actividad meteorica desde el lugar de observacion mas apropiado para el investigador. Los resultados obtenidos muestran la factibilidad de utilizar el sistema desarrollado en este trabajo para la deteccion, registro y almacenamiento adecuado de los parametros necesarios en el estudio de las corrientes meteoricas.

Palabras clave: Meteoros/ Dispersion oblicua/ Equipo portatil/ Observacion por radio/ Lluvias de meteoros

Portable radio system for automated meteor activity recording

Abstract:

Radio waves that collide with trails of ionized particles generated by the meteoroid entering the Earth's atmosphere undergo a process of electromagnetic scattering. The mechanism of oblique scattering (or forward-scatter) explains how these meteors trails can be used to establish long-range communication links. This paper describes the design and setup of a portable device that, based on this propagation mechanism, allows the automatic registeration of meteor activity from the most appropriate observing location. The results show the feasibility of the system for detecting, recording and adequate storage of the necessary parameters in the study of meteor streams.

Keywords: Meteors/ Forward scatter/ Meteors Shower/ Portable Equipment/ Radio Observation.

Manuscrito finalizado en Caracas, Venezuela el 2009/14/10, recibido el 2008/14/11, en su forma final (aceptado) el 2009/14/11,

I. INTRODUCCION

La atmosfera terrestre se encuentra permanentemente bombardeada por particulas muy pequenas (denominadas meteoroides). Cuando un meteoroide cruza la alta atmósfera, va dejando tras de sí una columna de aire ionizado y electrones libres de, usualmente, un metro de diámetro y decenas de kilómetros de longitud. Sucediendo esto a una altura que oscila entre 80 y 120 km [1], los electrones libres de esta traza tienen la capacidad de reflejar las ondas de radio provenientes de la superficie terrestre [2, 3, 4]. Sin embargo, las reflexiones sobre trazas meteóricas son breves. La traza se difumina rápidamente en el aire circundante y, asimismo, pierde la capacidad de reflejar las ondas de radio, produciendo reflexiones cuya duración es generalmente inferior a un segundo. Muy esporádicamente se presentan meteoros cuyas trazas sean capaces de reflejar ondas de radio durante varios minutos. El estudio de la actividad meteórica en la Tierra es un tema importante desde el punto de vista astronómico, tanto en la determinación de las estructuras de las corrientes de meteoroides cercanas al planeta como por razones prácticas relacionadas con la navegación espacial ya que los meteoroides pueden comprometer la integridad física de los satélites en órbita terrestre y de aquellos vehículos que realizan viajes interplanetarios [5]. Por otro lado, debido a la obvia interacción de los meteoros con la atmósfera, esta disciplina también se convierte en una herramienta de diagnóstico para el estudio de la atmósfera [6]. En cualquier caso, todo modelo que se desee construir necesita disponer de medidas precisas del flujo de meteoroides.

En este sentido, las tecnicas visuales fueron, durante mucho tiempo, el principal –sino el unico– medio empleado para la recoleccion de informacion acerca de la actividad meteorica. A esta disciplina se sumo, posteriormente, la fotografia (con sistemas de camara tradicional u optica Schmidt) y los metodos fotoelectricos. Mas recientemente, con el desarrollo de dispositivos de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD) y los intensificadores de luz, las técnicas de video han venido ganando terreno y generado mucha información astronómica [7]. Sin embargo, las observaciones por radio de la actividad meteórica pueden desarrollarse se manera continua, sin verse afectadas por las variables atmosféricas y restricciones de campo a las que están sujetas las observaciones ópticas. Esto permite recoger muestras de mayor cobertura espacial y temporal [8].

Hacia finales de la década de 1920 varios investigadores señalaron la inusual presencia de reflexiones de radio nocturnas provenientes de la región E de la atmósfera, ubicada aproximadamente a unos 100 km de altura sobre la superficie terrestre [2]. Pero es en el trabajo de Nagaoka [9], publicado en 1929, cuando se sugiere por vez primera la existencia de un vínculo entre dichas reflexiones y las lluvias de meteoros. Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, una serie de radares que habían quedado en desuso fueron transformados en radio¬telescopios, dando así una gran cantidad de resultados astronómicos. Fue entonces, cuando los pioneros de la investigación de meteoros por radar lograron establecer los principios de la dispersión de ondas radioeléctricas sobre trazas de meteoros. Durante la década de 1950 se establecieron diferentes sistemas de radar alrededor del mundo y, actualmente, existen varias instalaciones dedicadas a la deteccion de meteoros tales como el Canadian Meteor Orbit Radar de la Universidad de Waterloo, o el Japanese MU Radar en la Universidad de Kyoto [4]. En Venezuela se han llevado a cabo algunas experiencias que han demostrado la viabilidad técnica y potencialidad científica de este tipo de sistemas [10, 11].

Con el objetivo de ampliar la contribución científica en el campo de la materia interplanetaria y estudios de la ionósfera, surge la necesidad de un dispositivo portátil que, basado en técnicas de radio, permita el registro de la actividad de distintas corrientes meteóricas desde el lugar de observación más adecuado para el investigador.

Este trabajo, producto de una investigacion experimental, comienza describiendo en detalle la seleccion y configuracion de los distintos componentes del Sistema Portátil Automático de Radio para el Estudio de Corrientes Meteróricas (SPARECOM) y, posteriormente, se exponen los primeros resultados obtenidos con su implementacion desde diferentes ubicaciones geograficas junto con una comparacion que muestra la concordancia de los mismos respecto a otras investigaciones.

II. DESARROLLO

1. Tecnica experimental.

1.1. DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA.

El esquema de la Fig. 1 describe los componentes esenciales en el diseño de un sistema de forward scatter para la observación de meteoros basado en las propuestas presentadas por distintos autores [12, 13, 14]. Del diagrama se desprende que un sistema de este tipo está compuesto, básicamente, por una estación transmisora, un equipo receptor y un sistema de adquisición de datos.

La condición de portátil requerida para el diseño de SPARECOM es uno de los atributos más importantes ofrecidos por este sistema. En el contexto de este trabajo, se entenderá por “equipo portátil” todo artículo, máquina, instrumento u otro tipo de dispositivo que puede ser trasladado fácilmente de un lugar a otro para cumplir su función. Esta definición tiene implicaciones directas tanto en las dimensiones y peso del dispositivo como en la sencillez para la instalación y desinstalación del sistema.

1.2. Seleccion del transmisor

Una de las principales ventajas practicas ofrecidas por los sistemas basados en el metodo de forward scatter –a diferencia del radar– radica en la posibilidad de utilizar transmisores de radiodifusión que se encuentren operativos. De esta manera, el investigador tan sólo debe seleccionar el transmisor más adecuado según su ubicación geográfica y ocuparse exclusivamente de la instalación y operación de la estación receptora [12].

Para optimizar el reconocimiento de las reflexiones provenientes de trazas meteóricas, sólo se considerarán aquellos transmisores cuya señal este comprendida en el rango de frecuencias práctico donde ocurren las reflexiones meteóricas (30 100 MHz [14]), que trabajen con la potencia adecuada (más precisamente, se persigue un buen compromiso entre la potencia y las posiciones relativas del transmisor y el receptor) y de los cuales no se reciba (o se reciba un valor muy bajo) señal directa.

En particular, aquellos transmisores que trabajan en la parte baja del segmento del espectro radioeléctrico asignado al servicio de radiodifusión de televisión abierta se perfilan especialmente adecuados debido a la estabilidad de la señal emitida y continuidad en la operación de los mismos.

1.3. Equipo receptor

El sistema esta compuesto por un receptor de banda ancha controlado a traves de un PC (o PC Radio) modelo IC PCR1500 producido por el fabricante de equipos de comunicacion inalambrica ICOM Inc. [15] y cuyo rango operativo de frecuencias esta comprendido entre 10 kHz y 3.3 GHz. Específicamente, la sensibilidad ofrecida por el fabricante para las frecuencias correspondientes al servicio de radiodifusión de televisión abierta en VHF es de, al menos, 0.4 μV con 10 dB de relación señal-ruido y operando en modo de “Onda Continua” (Continuous Wave, CW) [15].

Este PC Radio no presenta panel de control externo (vease la Fig. 2) y utiliza un interfaz tipo Universal Serial Bus (USB) para la interconexion con el PC. Toda la operacion del receptor se realiza a traves del software provisto por el fabricante. No se trata de un software de codigo abierto y esta compilado para correr unicamente sobre sistemas operativos MS Windows 98SE/Me/XP/Vista.

El fabricante acompaña el receptor con una antena tipo dipolo convencional de 53.5 cm de longitud que, si bien no representa una alternativa óptima desde el punto de vista electromagnético, se presenta como un componente altamente transportable y de fácil instalación.

1.4. Sistema de adquisicion y almacenamiento de datos

La información de la señal a ser captada se transfiere al PC de control a través del flujo digital de audio que arroja el receptor por medio del interfaz USB. De esta manera, se dispone, directamente en el PC de control, de una representación digital de la señal recogida por el receptor.

Actualmente SPARECOM utiliza un PC portatil con procesador Intel Core 2 Duo de 2.2 GHz, 2 GB de memoria temporal (RAM) y 160 GB de capacidad de almacenamiento  extendido. Con la integracion del receptor IC PCR1500 (u otro PC Radio similar) y un PC portatil se logra una solucion compacta y robusta que satisface los requerimientos de diseno planteados. En definitiva, las dimensiones fisicas del sistema completo (receptor y PC portatil) alcanzan 4800 cm³ en volumen y 4.6 kg de peso.

Para lograr la apropiada adquisicion y almacenamiento de la informacion se utiliza el paquete de software Spectrum Lab, desarrollado por Wolfgang Buscher [16]. Este programa permite analizar el espectro de una senal de audio en tiempo real mediante la aplicacion de la Transformada Rapida de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT). La resolución en frecuencia y las características de la “ventana FFT” son ajustables. El software también ofrece la posibilidad de aplicar filtros de orden n ésimo en tiempo real y enviar el resultado a la entrada de la tarjeta de audio del PC. Por otro lado, la tasa de muestreo de audio puede fijarse entre 8000 y 48000 mps con una resolución de 16 bit por muestra, ofreciendo alrededor de 90 dB de rango de entrada.

Mediante el desarrollo de archivos de instrucciones simples (o scripts), se puede utilizar una serie de funciones pre definidas en el software para ordenar la ejecucion de acciones especificas o comandos tales como: tomar y almacenar una copia de la(s) ventana(s) del programa, almacenar datos en archivos, activar/desactivar el registro de audio, etc. Esta posibilidad resulta muy conveniente en la automatizacion del proceso de recoleccion de datos.

1.5. Configuracion del sistema

Para corroborar la condición de portátil contemplada en el diseño, SPARECOM fue instalado sucesivamente en dos localidades distintas y su respectiva etapa de observaciones. La primera de ellas se realizó en Venezuela, con la estación receptora ubicada en la ciudad de Caracas y concentrando los esfuerzos de observación en el período de Octubre de 2007, con la intención de registrar la actividad de la lluvia de meteoros de las Oriónidas que usualmente presenta su máximo alrededor del día 21 de Octubre de cada año (longitud solar λ0 = 207.9º) [17]. La segunda etapa se efectuó en Eslovenia, ubicando la estación receptora en su ciudad capital, Ljubljana. En este caso, se realizaron observaciones durante los meses de Diciembre de 2007 y Enero de 2008 con la idea de registrar la actividad de la lluvia de meteoros de las Cuadrántidas, cuyo máximo usualmente se presenta alrededor del día 4 de Enero (l0 = 282.6º) [18].

5.1. Lugar de observacion: Caracas.

Tomando en cuenta que en la ciudad de Caracas no hay operadores que utilicen el rango de frecuencias correspondiente al canal 6 del servicio de television abierta (del plan de frecuencias sugerido por el National Television Standards Committee, NTSC-M, y adoptado por el organismo regulador de las telecomunicaciones en Venezuela), la seleccion se enfoco en los transmisores que trabajaran en dicha parte del espectro. El trasmisor seleccionado se ubica en el estado Lara; mas especificamente, bajo las coordenadas 09o 57' 38'' N, 69o 16' 48'' W segun World Geodetic System 1984 (WGS84) [19, 20] con una potencia de 198 kW [21, 22].

El sistema se instalo inicialmente en la ciudad de Caracas, específicamente en las coordenadas geográficas 10º 30' 33'' N, 66º 53' 40'' W según WGS84 [23]. La antena utilizada por SPARECOM presenta, por geometría, el típico patrón de radiación de un dipolo eléctrico convencional. Sin embargo, para otorgar preferencia a las reflexiones provenientes del transmisor seleccionado y rechazar al máximo la señal directa proveniente del propio transmisor (u otros transmisores), se aprovechó la influencia que ejerce un “plano de tierra real” colocado la antena a 5 cm de separación de la azotea de la edificación donde se instaló el sistema, con el eje longitudinal formando un ángulo de 30º respecto a la vertical. En la Fig. 3 se aprecia una visualización del patrón de radiación resultante de la antena cuyo punto de máxima ganancia fue orientado en la dirección del transmisor y con el ángulo de inclinación ya mencionado.

El receptor fue sintonizado a la frecuencia de la señal de la portadora de luminancia para el canal de TV seleccionado, f_L1= 83.25 MHz. Para recoger la señal con el mínimo procesamiento, se seleccionó el modo de operación CW. Por otro lado, para reducir la influencia de señales innecesarias en el contexto de este proyecto, se utilizó un filtro de 2.8 kHz.

Para la deteccion y almacenamiento de los datos se creo un script que identifica el valor maximo de la intensidad de la senal observada en un ancho de banda de 50 Hz centrados alrededor de la frecuencia de trabajo y lo compara con la potencia promedio de la senal a lo largo de un ancho de banda de 1500 Hz. De esta manera se busca distinguir los incrementos temporales en la intensidad de la senal debido a su reflexion sobre trazas meteoricas de aquellos eventuales incrementos debidos a la presencia del “ruido impulsivo” posiblemente originado en las cercanias del receptor. Este argumento se basa en el hecho de que la senal de la portadora de luminancia de los transmisores comerciales de TV poseen amplitud y frecuencia de trabajo constantes, un ancho de banda restringido y, en general, un habito de operacion muy estable. El script desarrollado activa la opcion de registro de audio digitalizado en archivos tipo Waveform Audio File Format (WAVE) [24] durante un lapso de 3 s cada vez que el nivel maximo de la senal supera en 9 dB el nivel promedio del ancho de banda circundante.

5.2. Lugar de observacion: Ljubljana.

Una revision a traves de un receptor de TV estandar fue suficiente para comprobar que en la ciudad de Ljubljana (Republica de Eslovenia) no existen transmisores cercanos trabajando en el canal 4 del sistema Phase Alternating Line (PAL-B) –adoptado como estandar en esta nacion– y cuyo rango de frecuencias de operacion esta comprendido entre 61 MHz y 68 MHz. El transmisor seleccionado se ubica en Monte Penice, Italia, en las coordenadas 44o 47' 05'' N, 09o 19' 10'' E segun WGS84, bajo un regimen de operacion continuo y una potencia de 100 kW y un offset de “6p” [22, 25].

Las coordenadas geográficas del sitio de instalación de SPARECOM en Ljubljana corresponden a 46º 20' 18'' N, 14º 29' 06'' E [26]. La antena se colocó en polarización horizontal, con el eje longitudinal formando un ángulo de 22.5º respecto a la normal de la fachada de la edificación, a 5 cm de separación de la misma y a una altura de 6 m sobre el piso. En la Fig. 4 se presenta el patrón de radiación teórico calculado para una antena con la misma disposición y frecuencia de trabajo. Con esto se favorece la recepción de las reflexiones sobre trazas meteóricas de la señal proveniente del transmisor de Monte Penice (Italia) ya que la dirección de máxima ganancia de la antena queda orientada hacia el transmisor seleccionado (≈ 250º de azimut).

El receptor fue sintonizado a la frecuencia de la señal de la portadora de luminancia para el canal de TV seleccionado, f_L2= 62.25 MHz, se seleccionó el modo de operación CW y se aplicó un filtro de 2.8 kHz.

Dada la experiencia del montaje instalado en Caracas (en lo que a optimización del almacenamiento extendido se refiere), se desarrolló un script que permite aplicar los mismos criterios de selección de meteoros ya utilizados y, simultáneamente, criterios adicionales basados en la comparación respecto a niveles constantes. La idea es determinar aquellos umbrales de detección adecuados que permitan obtener un valor de sensibilidad óptimo para el sistema.

III. Resultados y discusion

1. Perfiles de potencia de trazas meteoricas individuales

Las señales de radio reflejadas sobre trazas meteóricas presentan perfiles característicos del comportamiento de la potencia recibida en el transcurso del tiempo que dependen de la densidad lineal de electrones en el punto de reflexión. Si dicha densidad es menor o mayor a 2.4 × 10¹⁴ m⁻¹, se les clasifica como reflexiones de baja o alta densidad, respectivamente [27].

A partir de la señal de audio registrada por SPARECOM en los dos lugares de observación, se obtuvieron diferentes perfiles de potencia.

En la Fig. 5 se presentan algunos perfiles de potencia obtenidos a partir de la señal de audio registrada por SPARECOM en ambos lugares de observación. Estos resultados muestran gran concordancia con los diagramas generados a partir de modelos teóricos [2, 14] y con resultados prácticos de otras investigaciones [28].

2. Registro de actividad meteorica

Las observaciones realizadas a través de una única estación receptora no permiten discernir si una reflexión específica proviene de una traza perteneciente a una lluvia de meteoros dada o al fondo esporádico. Sin embargo, asumiendo que el comportamiento del fondo esporádico es similar en días sucesivos y que varía muy poco a lo largo del año, se puede registrar la actividad del fondo esporádico durante algunos días previos y posteriores al período de actividad de la lluvia bajo estudio para, luego, sustraerlo de las tasas obtenidas durante el período de actividad de la lluvia [29]. Se aplicó este método para la obtención de las tasas de actividad correspondientes a las lluvias de meteoros estudiadas.

En la Fig. 6 se presenta un gráfico con la actividad meteórica registrada alrededor del máximo de actividad de la lluvia de meteoros de las Oriónidas durante el mes de Octubre de 2007, medida que se acostumbra a presentar como “Tasa Horaria” (TH). En términos más precisos, el gráfico cubre el lapso comprendido entre el 19/10/2007 05:02 de Tiempo Universal (TU), correspondiente a λ₀ = 205.332º, y el 23/10/2007 16:09 TU ó λ₀ = 209.769º. Los datos graficados se restringen a aquellos períodos en los cuales el radiante de la lluvia se encontró sobre el horizonte del lugar de observación. Para dar robustez a estos resultados, tambén fueron excluídos aquellos datos calculados sobre períodos de observación menores a 45 minutos.

Con el fin de comparar los resultados obtenidos en este trabajo con otras observaciones similares realizadas por investigadores independientes, se incluyen, en el mismo grafico, los valores preliminares de Zenith Hourly Rates (ZHR) obtenidos por la International Meteor Organization (IMO) en la campana de observacion visual de las Orionidas para el ano 2007 [30]. La ZHR representa el numero de meteoros de un lluvia determinada que un observador podria ver durante una hora si su magnitud limite fuera de 6.5mag y el radiante estuviera en su cenit [17].

En las observaciones realizadas desde Caracas por SPARECOM se presenta un maximo de actividad meteorica hacia λ₀ = 208.125o (22/10/2007 00:30 TU), mientras que el maximo obtenido por IMO ocurre en λ₀ = 208.150o (22/10/2007 01:06 TU). Las Orionidas en 2007 presentaron un segundo incremento de actividad o “sub-maximo” que, en el caso SPARECOM, fue registrado en λ₀ = 208.498o (22/10/2007 09:30 TU) y, segun la informacion de IMO, corresponde a λ₀ = 208.464o (22/10/2007 08:40 TU).

En la Fig. 7 se presenta un grafico con la actividad meteorica registrada alrededor del periodo de actividad de la lluvia demeteoros de las Cuadrantidas entre el 30/12/2007 20:00 TU (λ₀ = 278.586o) y el 11/01/2008 17:00 TU (λ₀ = 290.714o). Esta curva de actividad fue construida utilizando exclusivamente aquellos periodos de observacion en los que el radiante se encontrara a más de 20º de altura sobre el horizonte y en los cuales se contemplara una hora completa de registro sin interrupciones. Como en el caso anterior, se añadieron al mismo gráfico los valores preliminares de ZHR obtenidos por IMO durante la campaña de observación de las Cuadrántidas en 2008 [30].

Los conteos realizados por SPARECOM indican que la lluvia de meteoros de las Cuadrantidas en 2008 presento un maximo de actividad hacia λ₀ = 283.365o (04/01/2008 11:30 TU), mientras que los resultados de IMO indican el maximo para λ₀= 283.285o (04/01/2008 09:36 TU).

A pesar de las diferencias existentes en los valores de magnitud de la actividad meteórica – que indudablemente están vinculadas a las características propias de cada técnica de observación –, la evolución o comportamiento de la actividad de las lluvias de meteoros de las Oriónidas y las Cuadrántidas registradas por SPARECOM en 2007 y 2008 presentan gran concordancia con los resultados de las observaciones visuales obtenidos por IMO [30].

IV. CONCLUSIONES

1. En funcion de los conceptos de propagacion involucrados en la geometria caracteristica de la posible ubicacion, es factible proyecar y establecer una estacion de observacion continua de meteoros a traves de la tecnica de forward scatter en el rango de frecuencias de VHF (30 100 MHz).

2. El sistema fue establecido en dos ubicaciones geográficas diferentes y, en ambos casos, se confirmó la detección y registro de la actividad meteórica.

3. La desinstalación, traslado e instalación del dispositivo en el nuevo lugar de observación fue realizada por un único individuo, sin la necesidad de utilizar herramientas especiales o complejos mecanismos para su manipulación y traslado. Esto demuestra la condición de portátil requerida en el diseño.

4. Los resultados concuerdan ampliamente con las observaciones llevadas a cabo a través de métodos visuales y publicadas por la International Meteor Organization, lo que demuestra la robustez del sistema en lo que a registro de actividad meteórica se refiere.

Agradecimientos

Los autores manifiestan su agradecimiento a la Escuela de Ingenieria Electrica “Melchor Centeno” de la Universidad Central de Venezuela por el interes y apoyo permanente que dicha institucion ha brindado en el desarrollo de este trabajo.

Para la realizacion de este trabajo se utilizo el Astrophysics Data System de NASA.

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