INFORME TÉCNICO

JASMET

Luis Condori Personal de IT

Área de Tecnología de la Información (IT)

Setiembre, 2008

RADIO OBSERVATORIO DE JICAMARCA Apartado 130207, Lima 13, Perú Teléfonos (+51-1)317-2313 ♦ Fax (+51-1)317-2312

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RESUMEN

JASMET (Jicamarca All-sky Specular Meteor) es un radar de detección de meteoros especulares — aquellos que su trayectoria son perpendiculares al haz de la antena de transmisión — que está instalado en el Radio Observatorio de Jicamarca con la finalidad de comparar y complementar mediciones realizadas por el radar principal VHF de 50Mhz.

Este instrumento funciona bajo el modo JULIA (Jicamarca Unattended Long-term Investigation of the Ionsphere and Atmosphere), es decir opera por largos periodos de tiempo de funcionamiento — de manera desatendida — para realizar observaciones ionosféricas y atmosféricas sobre Jicamarca, empleando transmisores de baja potencia. La mayor motivación para el desarrollo de JASMET fue realizar mediciones de vientos horizontales de la mesosfera y de la parte baja de la termosfera.

El sistema opera en Jicamarca desde noviembre del 2005, fecha en que se realizaron las primeras pruebas para demostrar la validez del concepto; posteriormente las primeras pruebas de observación y análisis se realizaron en junio del 2006.

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................ 4 2. DESARROLLO ................................................................................................................................................ 5 2.1 Hardware ............................................................................................................................................................. 5 2.1.1 Antenas de transmisión y transmisores. ............................................................................................................. 5 2.1.2 Antenas de recepción. ........................................................................................................................................ 7 2.1.3 Sistema de adquisición, controlador de radar y pre-procesamiento de datos.................................................... 7 2.1.4 Programa de análisis y de post-procesamiento ................................................................................................ 10 3. RESULTADOS ................................................................................................................................................ 12 4. CONCLUSIONES .......................................................................................................................................... 17 5. RECOMENDACIONES ................................................................................................................................ 17 6. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 18

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JASMET

1. INTRODUCCIÓN

Las observaciones del paso de los meteoros —empleando técnicas de radar— han sido usadas por más de 50 años. Cuando los meteoros atraviesan la atmósfera terrestre se desintegran por fricción y se generan partículas metálicas y polvo que generan una estela ionizada. (meteor trail en inglés) La estela contiene una abundancia de electrones libres, que puede producir fuertes ecos, provenientes de la dispersión a las ondas de radio que se propagan perpendicularmente a ella.

Las primeras observaciones fueron para propósitos astronómicos tales como: lluvia de meteoros (meteor shower) y estimación de la velocidad de los meteoroides, pero posteriormente se realizaron observaciones atmosféricas para medir la velocidad radial de la estela ionizada lo que permite investigaciones de la dinámica de la Mesosfera y de la baja Termosfera. Con la tecnología actual de computadoras y sistemas electrónicos, estas observaciones son realizadas en tiempo-real.

Figura 1. Gráfico mostrando el beam del radar apuntando perpendicularmente a la estela del meteoroide a su paso por la atmósfera terrestre

El Radio Observatorio de Jicamarca (ROJ) y el consorcio Atrad Pty. Ltd de Australia reunieron esfuerzos para la instalación de un radar de detección de meteoros especulares de cielo completo (all-sky interferometric meteor radar), adicional al radar principal VHF de 50Mhz que opera en Jicamarca. Las especificaciones del radar y el software para el procesamiento de datos son proporcionadas por Atrad, mientras que los módulos de hardware son proporcionados por el ROJ.

JASMET funciona sobre la base de campañas mensuales de observaciones, siendo las mediciones de velocidades horizontales (zonales y meridionales) de la Mesosfera y, de la baja Termosfera las de mayor importancia. Otros parámetros son mapas del cielo de los meteoros detectados, ángulo de arribo y tiempo de decaimiento.

JASMET opera a la frecuencia de 50MHz, usando transmisores de baja potencia (10-100kw), y dependiendo de la aplicación, varía el duty cycle. Actualmente, el sistema funciona con dos transmisores de estado sólido que proporciona al arreglo de antenas de transmisión: 20Kw de potencia pico.

El sistema de recepción, adquisición y almacenamiento de datos es el usual para los experimentos de JULIA-EW, JULIA-V, y otros que funcionan en el modo desatendido.

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2. DESARROLLO

JASMET está formado por dos componentes principales:

• Hardware: Sistemas de antenas de transmisión y recepción, transmisores, pre-amplificadores de campo, sistema de recepción y de adquisición de datos, sistema de computo y almacenamiento.

• Software: Programas de adquisición de datos, programas de análisis de datos y de post-análisis de datos.

En lo que sigue de este reporte, se detallarán las partes correspondientes y el funcionamiento de este instrumento dentro del esquema de operaciones de Jicamarca.

2.1 Hardware

2.1.1 Antenas de transmisión y transmisores.

Las antenas de transmisión y recepción están ubicadas en la parte posterior del edificio principal del ROJ, cercano al extremo diagonal sur de la antena principal.

Figura 2. Diagrama y ubicación de las antenas de transmisión y recepción

Las antenas de transmisión son alimentadas por dos transmisores TOMCO de 10kw cada uno, los cuales son sumados por un híbrido de transmisión para obtener un total máximo de 20kw de potencia pico. Las líneas de transmisión son tramos de RG-17 y tubos de aluminio de 6” de diámetro, en total son 4 antenas cada uno apuntando con un ángulo de 45ª al Norte, Este, Oeste y Sur, como se muestra en el gráfico; la potencia es distribuida a todas las antenas por igual.

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Figura 4. Antena de transmisión apuntando al Norte. En la parte posterior se puede ver la Antena

apuntando al Sur

Figura 5. Vista posterior del transmisor de estado sólido, mostrando los cables de conexión.

Figura 6. Las salidas de los dos transmisores son alimentadas a un híbrido de transmisión para obtener la suma de ambos, la cual será conectada a las antenas

de transmisión.

Figura 3. Antenas de transmisión, yagis de 5 elementos, inclinados 45ª con respecto a la vertical, cada una de ellas apuntando a las direcciones Norte, Este, Oeste y Sur. En la figura se muestra la que apunta al Norte

(más cercana al lado izquierdo), y detrás la del Oeste y Este.

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2.1.2 Antenas de recepción

El sistema de recepción consta de un arreglo de cinco antenas yagis de dos elementos cada una. Son verticales y están dispuestos geométricamente como se muestra en la Figura 1. Las antenas de recepción están en un arreglo de dos brazos, perpendiculares entre sí, con espacio de 2 y 2.5 longitudes de onda; la longitud de onda para la frecuencia de 50MHz es de 6mts. Esta configuración de antena está diseñada para minimizar el efecto de acoplamiento entre las antenas y mantiene la habilidad de resolver, sin ambigüedades, el ángulo de arribo de los meteoros (AOA).

Con la finalidad de poder determinar la fase adicional generada por los cables de conexión y los componentes electrónicos utilizados para llegar hasta los módulos de adquisición y conversión analógico/digital, cada antena de recepción está conectada a un módulo pre-amplificador, al cual también se le conecta una señal de referencia sinusoidal que proviene de un generador de ondas, de tal manera que se pueda estimar la diferencia de fases entre los receptores.

2.1.3 Sistema de adquisición, controlador de radar y pre-procesamiento de datos.

El sistema de adquisición que se emplea está basado en receptores analógicos con módulos de conversión análogo/digital de 8 bits de resolución, y es usado en el ROJ para los experimentos que operan en el modo desatendido.

El controlador de radar es un generador de secuencias de pulsos programable que actualmente tiene 8 líneas de pulsos, y controla los diferentes equipos del sistema de radar. Es el encargado de mantener el sincronismo del sistema.

Este sistema de control es manejado por una PC bajo plataforma WINDOWS XP y adicionalmente, se encarga de decodificar los datos crudos que son almacenados en el disco duro para su posterior análisis.

Figura 8: Antena de recepción mostrando el módulo de pre-

amplificación y la conexión de la señal Figura 7. Antena de recepción más cercana a la antena del radar principal

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Esta PC también se encarga de generar las diferencias de fase y de enviar reportes gráficos, en tiempo real, al servidor Web del ROJ.

Los principales parámetros de JASMET son:

InterPulse to Pulse Period (IPP), kms 748.8

Maximum peak power, Kw 20

Frequency, Mhz 50

Code complementary 4 1110 and 1101

Duty cycle % 3.84

Figura 9. RTI del experimento mostrando los 5 canales de recepción y las señales de referencia de fase.

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Para poder estimar las diferencias de fases entre los receptores usamos el método de inyección de señal de referencia:

1. Se inyecta una señal de referencia sinusoidal en el punto de conexión de todas las antenas de recepción. Para que no interfiera con los datos reales, esta señal es activada de tal forma que solo se presente en las alturas de ruido, es decir, donde ya no se perciba señal válidas (por lo general alturas elevadas).

2. La otra opción es haciendo uso del beacon de RF que está instalado en uno de los cerros altos cercano a Jicamarca, donde están instalados los equipos de comunicaciones del ROJ. Se usa esta señal para estimar las diferencias de fases de los receptores, pero tomando en cuenta los valores proporcionados por la estimación del caso 1.

Los gráficos del pre-procesamiento nos alcanzan una idea rápida de como avanza el experimento y de la buena configuración del mismo. Inicialmente se debe hacer una corrida con el generador inyectando señal en la base de las antenas de recepción, lo que permitirá determinar la calidad de los datos.

Figura 10. Espectros de potencia de los canales de recepción, mostrando la señal proveniente del generador de referencia de fases y del beacon de RF en el cerro.

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Figura 11. Gráfico de las fases estimadas a partir del generador inyectado en la base de las antenas de recepción y del beacon de RF instalado en uno de los cerros altos del ROJ.

2.1.4 Programa de análisis y de post-procesamiento

Los programas de análisis y de procesamiento han sido desarrollados usando el lenguaje IDL y funcionan bajo plataforma Linux. El programa principal de entorno visual (GUI) se llama “display.sh” e internamente tiene las opciones para iniciar el análisis y levantar los procesos de post-análisis, además controla todo el proceso de análisis de datos.

Figura 12. Interface gráfica para controlar el análisis y post-procesamiento de los datos

Este GUI “display.sh” es un conjunto de aplicaciones que configura variables y sirve de interfase entre: el usuario y la estructura de software de este sistema. El GUI es controlado por el programa IDL

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“display.sav” cuando se elige la opción “Invoke Analysis script” se activa la ejecución “analysis.sh”, el cual a su vez acciona la rutina IDL “analysis.sav”. Si las opciones de post-analysis están activadas, se accionará el programa “postanal.sh” el cual a su vez activa al programa IDL “postanal.sav”, que finalmente procesará los datos de radar para dar como resultado la detección de los meteoros y la estimación de las velocidades.

Los programas con extensión “*.sh” están ubicados en el directorio:

./libexec

Los programas IDL con extensión “*.sav”, están ubicados en el directorio:

./lib

Para el uso de los programas de análisis y post-procesamiento se debe comenzar por la calibración de fase.

1. Estimar las diferencias de fases de los canales de recepción con respecto a uno de ellos, aquel proporcionado por el generado de señales inyectado en la base de cada una de las antenas. En el caso actual estamos tomando como referencia al canal del receptor “A”, por consiguiente tenemos un arreglo de 5 elementos como el que se muestra:

PHASE_CORR=[0.0, 15.0, -83.0, 136.0, -135.0]

Los cuales corresponden para las diferencias de fase de A-A, A-B, A-C, A-D, A-E

También se define el arreglo de ganancias de los receptores como:

AMP_CORR=[1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0]

Estas 2 variables deben ser almacenadas en el archivo:

analysis/lib/rx_cal.dat

2. En el caso que se use la señal del beacon de RF, las diferencias de fases de la misma deben ser restadas de la diferencia proporcionada por las fases del generador, y estos valores deben ser almacenados en la variable:

DIFF_PHASES=[121.76, -126.7, 127.77, 20.04], además de las otras variables:

BEACON=1

BHRANGE=[388, 392] altura inicial y final donde se ubica la señal del beacon de RF.

MODE_DC=1, todas estas variables deben ser almacenadas en el archivo:

analysis/lib/get_common_phase.sav

Esta archivo con la configuración de las variables prevalece sobre la configuración del paso 1.

3. Los datos ha procesarse deben estar ubicados (o enlazado a la posición correcta) en el siguiente

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directorio:

RadarData/AcqSpool

Estos datos serán eliminados luego de ser procesados. Los datos procesados son almacenados en el directorio:

RadarData/AnalysedData/

En este directorio se almacenan los archivos de la detección de meteoros, aquellos que tienen extensión “.met”, y los estimados de velocidades, aquellos con extensión “.vel”.

4. Luego de haberse configurado uno de los dos métodos de calibración de fases, se debe confirmar que los valores se han cargado en el entorno del programa de procesamiento, para esto hacer un click en el tab “Utilities” y en la opción “Housekeeping utilitiy” y chequear por los valores de las variables listadas. A este nivel ya estamos en posición de poder habilitar y arrancar las rutinas de post-procesamiento, esto lo hacemos en el tab “Analysis Control” y en la opción “MET Analysis” e “Invoke”, en este punto ya se arrancó el programa de post-análisis de detección de meteoros y estimación de parámetros: velocidades, tiempo de caída, power, SNR y ángulo de arribo. Adicionalmente, se puede arrancar el programa de post-procesamiento que estima las velocidades, esto se realiza a través del tab “Postanalysis Control” y con la opción “VEL Postanalysis” e “Invoke”.

Luego que han sido habilitadas las opciones de post-análisis y de control ya podemos iniciar todo el procesamiento de datos, esto lo hacemos con el tab “File” y la opción “Invoke Analysis Script”, con lo cual ya tenemos el sistema trabajando en su totalidad.

5. Otro parámetro — que también es importante en la configuración del sistema — son las coordenadas referenciales de las cinco antenas de recepción, y del ángulo con referencia al Norte geográfico en el sentido del reloj. Estas variables están almacenadas en el archivo “site.dat” y para la configuración actual son:

rx_coord=[ 15.0, 15.0, 0.0, 12.0, 12.0,

135.0, 45.0, 0.0, 225.0, 315.0]

3. RESULTADOS

El producto final de este experimento es la estimación de velocidades en la mesosfera, y después de un cálculo adicional, es posible obtener temperaturas a esas alturas.

El producto inicial es mostrar una cuenta de meteoros detectados a través de un mapa del cielo. La cantidad de meteoros detectados en Jicamarca para un experimento promedio está en el orden de 3000 a 5000 eventos. Dependiendo de la época del año y de un evento de lluvia de meteoros se puede obtener un conteo de más de 10000 eventos durante 24 horas.

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Figura 13. Mapa del cielo, mostrando la cantidad de meteoros detectados y su ángulo de arribo

En años recientes, la medición del tiempo de decaimiento de los ecos de meteoros ha sido usada para la estimación de T/sqrt(P), donde T es la temperatura y P es presión. La medición de las fluctuaciones de temperaturas, y asumiendo algunos valores constantes, se puede estimar temperaturas absolutas.

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Figura 14. Tiempo de decaimiento para los meteoros detectados.

Una información importante para determinar la calidad del experimento es observar la población de meteoros dentro de un rango de tiempo y altura; la mayor población de meteoros observados en los experimentos realizados en Jicamarca se presentan por lo general entre las 02:00AM y las 10:00AM hora local (07:00 a 15:00 UT) y en los rangos de 80 a 100 Km. de altura.

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Figura 15. Población de meteoros detectados en el tiempo y altura.

El producto más importante del experimento es la estimación de las velocidades horizontales inducidas, como son mostradas en la figura 16.

Los valores de estas velocidades han demostrado complementar las mediciones conseguidas con el radar principal del ROJ operando en el modo MST (Mesosfera-Troposfera-Estratosfera).

En el mapa de velocidades, cada bin de información de velocidad es para un promedio de 1 hora y para 2 Km de altura.

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Figura 16. Velocidades horizontales para un día completo de experimento

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Figura 17. Mapa vectorial de la velocidad horizontal.

4. CONCLUSIONES

El presente reporte intenta documentar el sistema que actualmente está operando en Jicamarca, con sus diferentes componentes en hardware. Se ha hecho una descripción de la estructura de software que se está empleado con valores de los parámetros que se vienen usando para la ubicación y propiedades de los equipos en Jicamarca.

Aun es necesario automatizar el sistema para que nos permita obtener información del post-análisis, en tiempo-real, a través de una interfase Web, y posteriormente mostrar los resultados a través de una base de datos.

Este sistema está demostrando que es de utilidad en la estimación de medidas de velocidades horizontales sobre Jicamarca, y complementa lo que se obtiene a través de otros medios como: el radar principal y la digisonda.

5. RECOMENDACIONES • Independizar el sistema para que pueda operar en forma paralela con los demás instrumentos que

funcionan en el ROJ, y complementar la información que se obtienen de ellos. • Posiblemente se trasladará el sistema a otra ubicación —Huancayo— para lograr proporcionar

información de las velocidades horizontales en otras latitudes.

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6. BIBLIOGRAFÍA

ATRAD, ATRAD RADAR SYSTEM Software Reference Manual (ADAC), Version 1.5.0.1, Australia.

D. Holdsworth, the Buckland Park all-sky interferometric meteor radar, Radio Science, 2003, pp 1-29