Forward-scatter

Dagli esempi fatti ci si imbatte in due situazioni estreme che riguardano un meccanismo abbastanza complesso di realizzazione di applicativi che sfruttano al meglio le potenzialità di queste formule.
Ci sono vari modi per elaborare la FFT, ognuno dei quali è legato al tipo di utilizzo dell'applicativo per cui viene realizzato, al sistema di elaborazione e alla complessità dei dati estrapolati.
Nel realizzare questi applicativi ad uso amatoriale ho tenuto conto di alcuni aspetti che ora intendo spiegare. I fenomeni meteorici che andiamo a studiare e ad analizzare sono fenomeni catturati in maniera indiretta e richiedono l'elaborazione di un segnale radio per essere visibili ed interpretabili (anche questo rientra nell'ambito della radioastronomia).
Questi corpi non emettono segnali radio propri a frequenza e potenza tali da essere captati direttamente ma è la loro ionizzazione, generata durante l'ingresso nella ionosfera, che funge da specchio deviando un segnale emesso da un trasmettitore posto a debita distanza e catturato dal nostro ricevitore. Questo modo di operare viene chiamato "a diffusione in avanti" o semplicemente Forward-scatter.
Il segnale captato e convertito rientra normalmente nelle frequenze audio medio basse in quanto il ricevitore, pur sintonizzato sulla frequenza del trasmettitore, viene posto in SSB in modo che l'eventuale segnale riflesso, modificato in frequenza dalla ionizzazione della meteora e dopo la convrsione, rientri come variazione doppler entro la gamma delle frequenze comprese tra 0 e 2400Hz.

Il trasmettitore

Anche la frequenza utilizzata dal trasmettitore ha la sua importanza, poiché frequenze troppo basse creano riflessioni strane nella ionosfera generando echi spuri con conseguenti problemi tecnici nel rivelare le piccole variazioni di frequenza dovute ad effetto doppler di un corpo in movimento. Cosí, pure frequenze troppo elevate provocano eccessivi problemi di assorbimento nei vari strati della ionosfera; in base a questi ed ad altri elementi viene consigliato, nei vari studi effettuati, di utilizzare frequenze comprese tra 30 e 60MHz.
Questi elementi tecnici andrebbero bene se la stazione di ascolto fosse attrezzata anche con un sistema di trasmissione del segnale da utilizzare come faro illuminatore posto ad una distanza idonea; ciò renderebbe necessario l'uso di molti mezzi economici e di strutture tecniche al di fuori della portata degli amatori.
Nell'ambito delle frequenze ascoltabili con i ricevitori nel mondo radioamatoriale si riscontra che nella gamma prevista non ce ne sono di portanti radio disponibili per questo scopo.
Si possono trovare invece, in alcune nazioni europee, trasmettitori TV le cui portanti pur trovandosi come gamma leggermente al di sopra delle frequenze migliori allo scopo possono essere, purché stabili, utilizzate egregiamente anche se in alcuni casi la propagazione ionosferica può creare problemi di aumento del rumore di fondo.
I trasmettitori indicati operano con le frequenze portanti intorno ai 48/85MHz e tra questi, per quanto riguarda la zona del Nord-Est dell'Italia, sono preferibili quelli dislocati in Spagna, Ungheria o Polonia sia per la frequenza trasmessa, che si colloca nella parte bassa della gamma, che per la distanza dal ricevitore.
Una volta sintonizzati sulla frequenza di uno di questi trasmettitori, nel ricevitore non ascolteremo nient'altro che rumore di fondo: questo perché il trasmettitore che noi utilizziamo come faro si deve trovare ad una distanza tale, almeno 500/1000Km, in modo che il suo segnale non venga ricevuto direttamente dalla nostra antenna ma nascosto dalla curvatura terrestre. Contemporaneamente la nostra antenna sarà orientata verso il trasmettitore in modo che l'asse centrale del lobo incroci un'area di cielo posto a circa metà strada tra il trasmettitore ed il ricevitore (come indicato dal disegno) e che quest'area sia collocata ad un'altezza compresa tra gli 80/100Km dal suolo.

L'antenna

Anche l'antenna utilizzata ha la sua importanza sia per quanto riguarda la direttività sia per l'elevazione rispetto all'orizzonte in modo da avere la massima efficienza proprio nell'area impatti. Come indicavo, in condizioni normali elaborando il segnale audio, sullo schermo video avremo visualizzato solo il rumore di fondo e non ci saranno tracce meteoriche (disegno A). Quando una meteora entra nella ionosfera produce una ionizzazione piú o meno marcata e se avviene entro l'area interessata dal lobo della nostra antenna si verifica la riflessione della portante del segnale trasmesso dal trasmettitore. Il ricevitore posto in questo caso in SSB e spostato in frequenza di circa 1000 Hz. rispetto al trasmettitore, capterà un segnale audio modulato che è il risultato della riflessione. Il segnale del trasmettitore ricevuto è funzione di molte variabili; oltre ad essere deviato verso il ricevitore dalla ionizzazione, subisce modifiche in frequenza dovute all'effetto doppler e in intensità a causa alla diversità di ionizzazione dei vari strati della ionosfera. Infatti tra queste variabili dobbiamo tenere conto di come avviene l'impatto meteorico tra cui: la velocità delle meteore che nel caso delle Leonidi, può arrivare ad 70/75 e piú Km/secondo, l'angolo d'impatto delle stesse e la loro dimensione. L'effetto di queste modificazioni lo noteremo oltre che nel segnale audio ascoltando dei suoni modulati, anche a video (disegno B) con delle tracce FFT di intensità e con variazioni di frequenza rispetto ai 1000Hz, piú marcati quanto piú grandi sono gli elementi dovuti all'impatto. Un'altra situazione in cui ci possiamo trovare è quando, per motivi di perturbazioni solari, gli strati della ionosfera sono ionizzati e noi riceveremo il segnale del trasmettitore come un fischio continuo che verrà indicato a video tramite una linea marcata con lunghezza, in qualche caso, di parecchie ore (E sporadico che si manifesta generalmente di giorno). Questo effetto è utile per verificare la stabilità del trasmettitore e del ricevitore, ma è noioso quando si verifica in sovrapposizione dei fenomeni meteorici (disegno C), vanificando a volte i risultati dei conteggi.
Le meteore, oltre che per le velocità di impatto e per il periodo dell'anno in cui i vari sciami si manifestano, vengono classificate anche per l'effetto della durata del risultato della loro ionizzazione. Sulla base del tipo di traccia, durata e ampiezza, è possibile distinguere le meteore in ipodense caratterizzate dal fatto di possedere una densità elettronica lineare minore o uguale a 2* 10^-14 elettroni/cm, rispetto a quelle aventi una densità maggiore che vengono classificate come iperdense. Le prime, decadendo rapidamente, danno echi di pochissimi secondi di durata; mentre le iperdense hanno durata fino al minuto ed eccezionalmente di alcuni minuti. Sulla base di queste misure è anche possibile ricavare un'indicazione della composizione del meteoroide, perché l'eco proveniente da polveri cometarie, con bassa densità, produrranno segnali di bassa ampiezza, mentre materiali piú compatti, come quelli di origine asteroidale, produrranno segnali di ampiezza piú elevata. In fase di riduzione dei dati registrati durante il passaggio di uno sciame vengono distinti il numero e la durata dei meteoroidi ipodensi da quelli iperdensi e dai bolidi. Per un approfondimento sull'argomento si rimanda, oltre che alla documentazione reperibile su Internet, al sito dell'IMO e anche all'articolo "Leonidi al radar" tratto dalla rivista L'astromomia numero 192 del novembre 1998.

Cattura del segnale

I ricevitori di uso comune nel mondo radioamatoriale si prestano molto bene per questo tipo di attività. Questi devono essere di ottima qualità e devono avere una buona linearità, purezza e stabilità. Il ricevitore è sintonizzato sulla frequenza di emissione dell'oggetto osservato o, nel caso delle meteore, su una portante di trasmettitore TV* posto ad una distanza superiore a 500 Km che trasmette sulle frequenze comprese tra i 48 e gli 85 MHz. In questo caso il ricevitore dovrà funzionare con l'AGC disabilitato e in SSB con uno spostamento dalla portante di circa 1000Hz per poter sentire in modo netto eventuali echi di riflessione durante la ionizzazione della meteora stessa nell'impatto con la ionosfera.
*L'elenco delle frequenze TV si può trovare nel sito- http://users.itl.net/~equinox/tv.html
Io utilizzo un ricevitore IC-R 7100 o un IC-R 7000 con un'antenna Yagi a 5 elementi di buona qualità e devo affermare che pur non trovandomi in una situazione ottimale come località, riesco ad ascoltare le meteore e registrare i segnali in modo buono, soprattutto in occasione del passaggio di sciami meteorici più interessanti. Eventuale letteratura e tecniche di ascolto relative alle meteore si possono trovare su Internet nel sito di IMO. International Meteor Organization - http://www.imo.net/
Prelevando il segnale dal ricevitore, normalmente dalla presa REC, si può inviarlo anche ad un qualsiasi registratore a nastro ed in un secondo momento si può ascoltare ed, eventualmente, digitalizzare. Il registratore ha la possibilità di registrare segnali della durata dei nastri che si trovano in commercio. Ciò comporta la presenza di un operatore per sostituire il nastro al momento opportuno, senza considerare che la registrazione su nastro può essere falsata dalla qualità dello stesso e anche da fruscii vari generati dalla circuiteria o dalle testine sporche. La scelta che ho fatto, per evitare questi inconvenienti, è quello di utilizzare la scheda Sound Blaster 16 che garantisce una buona stabilità e che è ancora facilmente reperibile nel mercato dell'usato. Nel mio caso questa scheda viene gestita da un computer che ha un processore Pentium 200 con 64 Mb di ram e un disco rigido da 4,5 Gbyte per contenere almeno 72 ore di registrazione. È consigliato l'utilizzo di un computer che abbia come minimo un processore Pentium a 200MHz con 64Mb di ram e un disco rigido con spazio superiore a 2.5Gbyte e con una scheda video con risoluzione minima di 800x600 a 64K colori. Sul cavetto di collegamento, che dalla presa Rec del ricevitore va alla presa LineIn della scheda audio, è conveniente installare, alle due estremità e vicino ai jack, due toroidi di ferrite in modo da ridurre al minimo eventuali fruscii o frequenze strane generate dal computer. (quest'ultimo deve stare il piú lontano possibile dal ricevitore). I segnali audio registrati devono essere trattati tramite la FFT da un successivo programma e non possono essere memorizzati in forma compressa. Ho quindi optato per l'archiviazione degli stessi nel formato grezzo Wav PCM a 16 bit mono con possibilità di campionamento a 5120, 8192, 11025, 22050, 44100 volte al secondo.

Come scelta di base ho optato per la conversione del segnale audio in FFT in modo differito. Anche se i tempi si allungano leggermente, questo modo permette di salvare e poi di trattare tutti i dati audio. Il salvataggio completo del segnale audio permette anche di poterlo rielaborare in momenti successivi e con altri applicativi al fine di ricavare ulteriori informazioni (magari non evidenziate in un primo momento). Durante l'ascolto con il radiotelescopio le informazioni audio ricevute e digitalizzate dalla SB16 occupano molto spazio e campionando ad esempio a 5120/sec ed a 16 bit nel formato mono, un'ora di registrazione produce un file di 36.864.000 di byte: questo significa che in 24 ore di ascolto verrà occupato uno spazio pari a 884.736.000 di byte. È facile capire che ci vogliono dischi molto capienti per contenere dati di queste dimensioni, soprattutto se si registra a velocità di campionamento elevate. Ciò e vero se la tipologia dei fenomeni monitorati hanno una durata che si protrae per parecchi giorni. Tenendo conto che questo si verifica solo in alcuni casi, è meglio correre ai ripari e trasferire i file tramite un masterizzatore su CD-Rom e liberare il disco rigido, oppure avere la possibilità di utilizzare dischi rigidi più capienti. Io utilizzo 2 computer collegati tramite rete ethernet, ed ogni 6/8 ore circa trasferisco i file audio, sul secondo pc, per elaborarli e fare le sintesi parziali. Per quanto riguarda la velocità di campionamento generalmente si utilizzano i 5120 o gli 8192 campionamenti al secondo, perché il segnale registrato, soprattutto per le meteore, è un segnale che viene ricevuto in SSB con la frequenza audio che arriva a circa 2400Hz; questi campionamenti inoltre sono sufficienti per discriminare fenomeni meteorici rappresentati dalle tracce intorno alla frequenza di 800/1000Hz.

I programmi

I programmi utilizzati sono 3 ed ognuno svolge una sola funzione in modo da non interferire con gli altri vista la quantità di dati da elaborare. Questi sono: "WRecWav.EXE" Registra i file audio nel formato Wav PCM tramite la scheda audio in ambiente Windows 98; Il secondo "WElabFFT.EXE" elabora il file WavPCM, generando un file contenente lo spettro continuo delle frequenze ed opera in ambiente Windows 98/2000/XP; Il terzo "WLookFFT.EXE" permette di analizzare il file FFT, di ricavare una serie di dati utili per la catalogazione dei segnali meteorici ed opera in ambiente Windows 98/2000/XP; I programmi WElabFFT e WLookFFT sono indipendenti dall'hardware audio.