Radiometeoren visualiseren

De ionisatiewolk die rond een meteoroïde ontstaat tijdens het binnendringen van de dampkring, is in staat om radiosignalen te reflecteren. Daarnaast kan de ionisatiewolk in het nalichtende spoor van een grotere/heldere meteoor ook radiosignalen reflecteren. Hoe visualiseer je deze ‘radiometeoren’ met een radio-opstelling op de computer?

Met deze handleiding ga je actief aan de slag om reflecties van radio op meteoren te visualiseren. Heb je een werkende opstelling met een RTL-SDR dongle en een antenne in gebruik? Dan kun je met de onderstaande beschrijving het ontvangen signaal zichtbaar maken op jouw computer. Heb je geen radio-opstelling? Geen nood, we nemen je hier namelijk mee aan de hand van de webSDR die bij CAMRAS actief is. Zo kan iedereen een radiosignaal op de computer zichtbaar maken en meteoren detecteren.

Aan de slag de webSDR van CAMRAS

De ontvanger die we in deze handleiding gebruiken, is een zogenaamde Software Defined Radio (SDR)-ontvanger die in gebruik is bij  het C.A. Muller Radio Astronomie Station (CAMRAS) in Dwingeloo. Het signaal is voor iedereen beschikbaar via internetstreaming en is direct te benaderen via http://websdr.camras.nl:8901

Figuur 1. Frontpage van de CAMRAS webSDR streaming ontvangers

Instellingen voor de webSDR

Er zijn een paar instellingen die je hier moet maken om de ontvanger af te stemmen op een meteoorbaken:

  1. Klik linksonder bij Band: op 2m, dan activeer je de meteorenontvanger (143 tot 145 MHz).
  2. Type in het Frequency veld (boven Band) 143048,50 kHz.
  3. Klik op USB (rechts, in het tweede witte blok) om zeker te weten dat de ontvanger in de juiste  ontvangstmodus staat, hier is dat Upper Side Band).

Nu staat de ontvanger ingesteld op de zenderdraaggolf van het GRAVES meteoorbaken en in het hoorbare audio hoor je soms de zachte pieptoon van de draaggolf van deze Franse zender. Met de variaties in de ionosfeer en de hoeveelheid reflecties tegen bijvoorbeeld vliegtuigen is deze draaggolf meer of minder goed te horen. Bovendien lijkt deze soms een beetje van frequentie te veranderen vanwege de dopplerverschuiving van de vliegtuig reflecties.

Werk je met je eigen opstelling met een RTL-SDR dongle? Stem dan de frequentie van de SDR-dongle met behulp van de aansturingssoftware af op 143,0485 MHz, nét iets lager dan de frequentie van de radar, en selecteer de ontvangstmodus in upper side band (USB). Volg dezelfde stappen die we hieronder bespreken; ze zijn identiek aan hoe we met de software met het signaal van de webSDR aan de slag gaan.

De ontvangst zoals hier beschreven, gaat over het GRAVES-baken in Frankrijk dat uitzend op 143,050 MHz. In de webSDR kun je naast het GRAVES-baken ook afstemmen op een ander meteoorbaken; het signaal van BRAMS. Het is de moeite waard om hetzelfde eens te doen op de 6 meter band  (6m kan je aanklikken in plaats van 2m) en dan afstemmen op Dourbes (49,96850 MHZ ) of op Ieper (49,98850 MHZ). Deze twee zenders zijn speciaal voor meteoren ontvangst opgezet en staan ook wat dichterbij. Het uitgezonden signaal is echter weer wat zwakker, zodat het een zeer vergelijkbaar resultaat geeft. Interessant is het verschil in hoorbare dopplerverschuiving. De reflecties via GRAVES zitten op een bijna drie maal zo hoge frequentie waardoor er meer Doppler verschuiving te horen is (het bekende ‘pieuw’-effect). Bij Dourbes en Ieper is er vaker sprake van minder doppler verschuiving en hoort het gereflecteerde signaal meestal aan als een ‘ping’ of kort fluitje : ‘fuut’. Door de kortere afstand tot de zenders zouden  deze meteoren ‘s avonds soms ook zichtbaar kunnen zijn. Zoals eerder gezegd, richten we ons in deze handleiding op het GRAVES meteoorbaken. Stem de webSDR dus weer af op de juiste frequentie, als je het veranderd mocht hebben.

De audio-ontvangst van de CAMRAS webSDR is van goede kwaliteit, maar de videokwaliteit van deze stream is, in verband met het internetbandbreedte verbruik, bewust beperkt gehouden. Om er meer uit te halen gebruiken we verder alleen het audio signaal, dat we verwerken met het gratis maar zeer goede programma ‘Spectrum Laboratory’ of kortweg SpecLab. Klik hier om de benodigde software te downloaden.

SpecLab heeft een wat hoge instap-drempel voor beginners, maar als je je er in verdiept zal de software zich zeker terug betalen in mooie resultaten. Om je op weg te helpen, behandelen we hier twee toepassingen waarmee je het radiosignaal kunt gebruiken voor het waarnemen van meteoren:  (1.) de basisinstelling voor het visueel weergeven van het audiosignaal en (2.) een aardige manier om het aantal meteoorreflecties te tellen. De complexere automatisering en file-opslag komen nog niet aan bod. Als je nu al naar een automatische logging wil kijken, ga dan naar deze overzichtspagina.

1. De basisinstellingen van SpecLab

De basisinstelling van SpecLab is zo gemaakt dat audiosignalen van de ontvanger  als een waterval van audio-frequenties naar beneden stroomt over het scherm. Links zie je de lagere en rechts de hogere frequenties. Een signaal is te herkennen aan de helderheid en kleurverschillen. Bij de gekozen instelling zal de beeldbreedte overeen komen met ongeveer 1000 Hz. Het idee is dat in het midden van het beeld, dus bij ongeveer 1500 Hz, de signalen van Graves te vinden zijn. Meteoorreflecties zullen hier dicht omheen te zien zijn. Hieronder volgt een eerste beeldscherm plaatje.

Figuur 2. Een SpecLab watervalscherm met de vertikale draaggolf, een schuine satelliet reflectie en een horizontale meteoorreflectie.

Je ziet in figuur 2 een verticale lijn, dat is het signaal van de draaggolf van Graves. De ontvanger is zo ingesteld dat in dit audio plaatje de draaggolf hoorbaar is op ongeveer 1500 Hz (zie schaalverdeling bovenaan). De lijn is onderaan schijnbaar gesplitst door de reflectie tegen een vliegtuig, wat een tweede signaal met een klein doppler verschil geeft. De lange diagonale lijn naar linksboven is (toevallig) een reflectie tegen een satelliet. De segmenten ontstaan door de diverse antenne-bundels van het graves systeem, waardoor een plaatsbepaling en timing berekening mogelijk zijn naast de doppler meting. Tenslotte (op 37 seconden, zie linker schaal) het horizontale streepje,  DAT is nu een meteoorreflectie, heel kort –in de tijd- en duidelijk een flinke dopplerverschuiving. De frequentie loopt omlaag (naar links.) wat klinkt als een ‘ping’ of zelfs een ‘piieuw’ geluid als je meeluistert met het audiosignaal. Dit soort signalen moeten we dus hebben.

In de onderstaande afbeelding zie je een ‘overdense’ meteoorreflectie. Je ziet een horizontaal lichtblauw streepje van 1700 terug naar 1600 Hz (de dopplerverschuiving),  dat is weer de reflectie tegen de plasmawolk rond de meteoroïde. Vlak daarna, als de ontvanger nog niet is hersteld van zijn automatische onderdrukking van de harde tonen, ofwel de automatic gain controle AGC, zie je duidelijk de reflectie van een paar tellen tegen de ionenwolk die nog even hangt. De snelheid van een ronddrijvende/ wegwaaiende wolk is vaak niet hoog en zal daarom meestal rond de (GRAVES) draaggolf-frequentie hangen (er is te weinig dopplerverschuiving).

Figuur 3. Een ‘overdense’ meteoorreflectie, rechts de snelle Doppler van de meteorietplasmawolk en over het verticale spoor nog een paar tellen de reflectie van de ‘nalichtende’ ionisatiewolk

Hoe gaan we dit nu instellen in SpecLab?

Allereerst moeten we zorgen dat het audiosignaal dat we horen van de ontvanger (of in ons geval de webstream) via de audio-ingang van de PC binnenkomt. Bij een gewone radio-ontvanger is het nodig om met een kabeltje het radiogeluid met de microfooningang van de PC te verbinden.  In geval van de webSDR en RTL-SDR dongle kan via de interne mixer van de geluidskaart het geluid – binnendoor-  geregeld worden. Dit is iets wat je geregeld moet hebben voordat je verder gaat.

Als je de input van het audiogeluid hebt geregeld, kunnen we SpecLab starten en even wachten tot het programma loopt. Nu moet je via het ‘Options’ veld (derde veld in de bovenbalk van SpecLab) de audio-instellingen kiezen (dit is de eerste keuze, bovenaan). Schrik niet van het ingewikkelde schermpje dat nu verschijnt (figuur 4) . Linksboven – in het eerste invulveld- kies je voor audio-input het juiste item (bijvoorbeeld ‘externe microfooningang’ als je het geluid via een kabeltje gebruikt). Er staat in figuur 4 nog ‘ Default WAVE input’, dat moet dus veranderen. Klik daarna op ‘Apply’ en vervolgens op ‘Close’ enhet schermpje zal weer afsluiten.

Als het goed werkt, zal het watervalscherm op het audiogeluid van de ontvanger moeten reageren. Om te controleren of de software de audio van je PC verwerkt, kun je het testen met een headset (waarmee je bijvoorbeeld Skype-gesprekken doet). Als je de microfoon selecteert als input, dan kun je zien dat er stemgeluid binnenkomt. Een beetje spelen met deze instelling kan geen kwaad om te zien hoe jouw computer hierop reageert en hoe SpecLab uiteindelijk het beste signaal binnen krijgt.

Figuur 4. Het audio instelscherm met links boven het belangrijke –input device- veld.

Dan gaan we nu verder met het watervalscherm.  De basisinstelling van het watervalscherm doen we als volgt. Figuur 5 laat de linkerbovenhoek  van het programma zien:

Figuur 5. Linkerbovenhoek van het watervalscherm.

Zet links bovenin de drie witte veldjes. Achter het veld f1 zit een button met ‘opt’. Klik daarop en kies bij het eerste item Frequency controls de tweede optie Min,Max. Zet nu vfo op 0;  f1 op 1000 (of 1kHz) en f2 op 2000 (of 2.0kHz).

Hiermee is de breedte van het watervalscherm vastgesteld. Als er al audio binnenkomt, zal je dat goed kunnen zien.  Om de helderheid en het contrast optimaal te maken kan je met de twee schuifregelaars bij het ‘color palette’ spelen.

Nu resteert ons nog de snelheid van het watervalscherm in te stellen. Hiervoor klik je op het 3e veldje boven aan: options. Kies daar de derde regel:  Spectrum display settings. Dan verschijnt er weer een complex scherm. Vul alle data zo in dat het overeenkomt met volgende afbeelding (figuur 6, vooral in de rode ovalen) en geef weer Apply en close.

Figuur 6. Display settings invulscherm.

De fijnheid van het display wordt bepaald door de FFT instelling, die bepaalt de ‘Fast Fourier Transform’ analyse van het audiosignaal. Je vindt die in het figuur hierboven in het op twee-na-laatste tabblad. Pas de instellingen aan zoals die zijn weergegeven in afbeelding 7: met het veldje FFT input size moet je even spelen voor het mooiste resultaat (hoger is mooier maar belast de PC zwaarder).

Figuur 7. FFT invoer scherm.

Als je deze stappen hebt doorlopen, dan zou het display er zo uit kunnen / moeten zien:

Figuur 8. De standaard instelling zou dit watervalscherm als resultaat moeten geven. Hier twee meteoren te zien, een met grotere Dopplerverschuiving op 21:06 en een korte -ping- op 21:06:15.

Dit watervalscherm loopt in een minuut van boven naar beneden. Je ziet in figuur 8 ook twee meteoren: een reflectie met dopplerverschuiving (die hoorbaar zou zijn als ‘pieeeuw’) op 21:06:00 en een duidelijke ‘ping’ op 21:06:20. Deze laatste was zo luid dat de ontvanger het signaal even dichtknijpt; de AGC greep op dat moment in waardoor het beeld even op zwart gaat en snel weer terug komt.

Voordat we verdergaan, is het aan te raden om nu eerst een poosje te kijken en luisteren. Je zal merken dat het ontvangen signaal soms wat naar links of naar rechts verschoven is. Dat kan je, indien gewenst, corrigeren op de ontvangstpagina van CAMRAS de frequentie iets fijner af te stellen met de knoppen ‘+’ of ‘-’.

Om al dit werk elke keer te herhalen bij het starten van de computer is een beetje flauw. Je kunt all gemaakte de instellingen daarom opslaan. Linksboven in het scherm kun je onder FILE de optie Save settings as kiezen. De naam SETTINGS.usr  wordt voorgesteld en dat kun je gewoon accepteren. Als je verder niks veranderd hebt, worden de instellingen van dit bestand automatisch geladen bij het opstarten van SpecLab. Gebeurt dit niet, dan kun je de volgende keer met Load settings from dezelfde file weer ophalen.

Feitelijk ben je nu helemaal klaar om wat langer met je opstelling of via de webSDR van CAMRAS een lange tijd naar radiometeoren te luisteren én kijken. Maar je kunt nog meer.

2. Wat langer kijken en meteoren tellen

Als het beeld na een minuut alweer verdwenen is wordt het lastig om een overzicht te hebben van bijvoorbeeld het laatste halve uur: wordt het drukker of juist minder druk met meteoren?

Hiervoor gaan we wat dieper in SpecLab kijken. Er is een mogelijkheid om een schrijvende plotter aan te zetten. Elk lijntje daarop wordt geplot volgens een formule. Ook de loopsnelheid van de plotter en andere instellingen gaan we zo kiezen, dat het beeld in ruim 50 minuten over het scherm kruipt. Daarmee hebben we dan een aardig overzicht wat er zoal is gebeurd in bijvoorbeeld de laatste drie kwartier. Hieronder een afbeelding die een idee geeft wat de plotter kan.

Figuur 9. Een combinatie van waterval en plotscherm.

Boven in het plotterbeeld zie je gekleurde vakjes. Dat is de legenda: Elk blokje komt overeen met een lijntje in de plot eronder. Elk lijntje heeft als functie het maximum van de gemiddelde ruis in de afgelopen 200 milliseconde in een breedte van 50 Hz. De kleurenblokjes hebben dan ook een frequentie aanduiding als naam. 12 staat voor 1200Hz tot 1250Hz en 12.5 staat voor 1250Hz tot 1300Hz en zo verder. Er zijn zo in totaal 14 gebiedjes rondom 1500Hz vastgelegd en die worden dus geplot. Het plotscherm loopt langzaam naar links. In afbeelding 9 zie je drie meteoorreflecties op verschillende frequenties (toonhoogten) en dat zie je als de overeenkomstige kleur van het lijntje. De signalen zijn hier voor de duidelijkheid met cijfers aangegeven.
Het ingestelde volume van de PC geeft het gemiddelde ruisniveau  (hier ongeveer -74 dB). Als er flinke pieken zijn zal dat tot 25 dB sterker zijn, dus wel tot -50dB. Dit is interessant om later een betere instelling te kunnen maken.

Hoe komen we nu aan dit plotter scherm? Druk op de op een na laatste tabblad, net voor help: View/Windows. Nu verschijnt het dropdown menu met vier groepen. Kies het eerste item van de derde groep: Watch List & plot window. Heb je dat gekozen dan verschijnt het lijn functie scherm, de Watch List. Deze moeten we invullen zoals hieronder aangegeven (figuur 9). Het aantal regels (kanalen)wordt bepaald door het getal 14 (of meer, default is 16) in te vullen onder de Memory/Misc tabblad van deze watch list.

Figuur 10. De watch list, hier ingevuld met de legenda naam (title), de ruis functie noise_n (expression) en in de laatste twee kolommen het bereik wat we willen zien (scale min en scale max).

Vervolgens moeten we de horizontale scroll snelheid instellen (figuur 11, verschijnt onder de vierde tabblad ‘horizontal’):

Figuur 11. Horizontal details invullen voor de loopsnelheid (scroll rate) en de schaallijntjes verdeling (markers).

En om alle 14 lijntjes (kanalen of channels) ook aan te zetten met de juiste functie moet onder het tabblad channels & colors nog wat handwerk worden verricht. Voor elk kanaal zetten we de lijnstyle onder tabblad Channels & colors op mixed en de functie op Max.Value. Hier het voorbeeld voor kanaal 11 (figuur 12):

Figuur 12. Voor elk kanaal (hier 10 stuks) hetzelfde invullen.

Druk nu op de tabblad plotter om het resultaat te bekijken. Als hij niet loopt, de plotter even starten in het submenu plotter die net boven de tabblad plotter staat, dus buiten dit invulschermpje.

Hieronder volgt nog een screenshot (figuur 13) van hoe ik hem heb ingericht (met volume zo dat het gemiddelde ruisniveau op -70dB ligt). Let op, de gekozen noise_n functie is vooral interessant voor dopplersignalen (het ‘pieuuw’-geluid). Voor het detecteren van pings kan je beter naar de ‘ peak_a’ functie gaan. Deze laatste wordt echter wel verstoord als de draaggolf zelf erg duidelijk wordt ontvangen. Een mooi onderwerp voor experimenteren en dus handig voor Dourbes- en vooral Ieper-ontvangst.

Uiteindelijk heb ik een kanaal gedefinieerd met een (peak(1450,1550 – avrg(1000,2000) ) Functie zodat beide tegelijk kunnen worden gevolgd.

Tenslotte een aantal screenshots van hoe het er nu uit kan zien. De eerste (figuur 13) is de standaard instelling voor GRAVES. Daar hoor ik de meeste signalen. Echter, de ‘stille’ Ieper geeft soms betere overdense signalen  omdat ze niet gestoord worden door de draaggolf (figuur 14). Laat dan de watervalscherm ook doorlopen over de plot heen (figuur 14).

Soms komt er een bijzondere vangst voorbij die je met een druk op de –prt Scr- knop meteen in het copy-paste buffer van de computer heb. Vervolgens open ik bijvoorbeeld powerpoint om het plaatje te bewaren. Op deze manier kan je altijd snel reageren. Figuur 14 laat een op deze manier  –gevangen- bijzondere overdense wolk zien met diverse doppler snelheden. Omdat Ieper smalle reflecties geeft zet ik het watervalscherm ik smaller (f1 op 1400 en f2 op 1600) met soms verbluffende resultaten.

Figuur 13. Een ‘standaard’ waarneemscherm dat ongeveer 43 minuten loopt. Linksboven het watervalscherm met duidelijk drie meteoorsignalen, een lager dan 1500 op 09:46:47, een hoger dan 1500Hz op 09:47:00 en daartussen een neutrale ping. Op het plotscherm helemaal rechts (laatst opgenomen halve minuut) vind je ze terug als blauw, rood en daartussen een grijs signaal. Toevallig was de draaggolf van GRAVES net even heel zwak waardoor de ping netjes is gedetecteerd. Verder zie je duidelijk in de plotter dat het grijze signaal behoorlijk storend is als er veel van die draaggolf te horen is.
Figuur 14. Een rustig plaatje van het baken van Ieper. Duidelijk is nu dat de grijze lijn netjes de ‘pings’ detecteert (de vier uit het watervalscherm zijn ook netjes te vinden in de laatste minuut op de plotter, helemaal rechts).
Figuur 15. Met een smaller ingesteld watervalscherm een verbluffende vangst gedaan. Hoe zal deze ionen wolk wervelen opdat deze figuur ontstaat? Het is een langdurige reflectie (25 seconden) en de Doppler verschuiving is ongeveer 20 Hz naar beide zijden. Overeenkomstige snelheden zijn ongeveer + en – 20 meter per seconden.

Automatisering om meteoorreflecties te tellen

Tot slot. De complexere automatisering en file-opslag is hier nog niet aan bod gekomen. Daar zijn veel mogelijkheden voor. Wil je het waarnemen van radiometeoren verder gaan uitbreiden, dan kun je eens op deze pagina kijken voor de mogelijkheden.

Daarnaast kun je de meteoorreflecties tellen en loggen met de software Colourgramme. Je kunt een overzicht maken van de waargenomen reflecties vanaf jouw locatie in maandelijkse plots via het Radio Meteors Observers Bulletin. Je ziet op de RMOB-pagina dat er meer meteoorwaarnemers met een RTL-SDR dongle meteoorreflecties vastleggen en tellen. Kortom, een mooie kans op jouw radiowaarnemingen met die van anderen te vergelijken!

 


Tekstbijdrage: Frans de Jong (PE1RXJ), radiozendamateur en vrijwilliger bij CAMRAS, het C.A. Muller Radio Astronomie Station.