Radioastronomia Amatoriale:costruire un radiotelescopio a microonde con

RAL10APFlavio Falcinelli

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La serie di ricevitori per radioastronomia amatoriale RAL10 di RadioAstroLab è stata arricchita conl'ultimo nato della casa: RAL10AP. E' il più piccolo radiometro della famiglia, assemblato e pronto all'uso,“fratello maggiore” di RAL10KIT. Anche questo strumento utilizza il modulo radiometrico microRAL10(il “cuore” del ricevitore) abbinato all'elettronica di alimentazione e di interfacciamento con un computer,completo di software per l'acquisizione DataMicroRAL10. Caratteristica aggiuntiva (e unica) diRAL10AP è l'uscita audio di post-rivelazione: collegata a un amplificatore esterno o all'ingresso audio diun PC, consente l'ascolto dei segnali rivelati e il loro monitoraggio attraverso uno dei tanti softwaregratuiti scaricabili dal web per l'analisi degli spettrogrammi.

La catena iniziale del sistema ricevente è realizzata con componenti commerciali provenienti dalmercato della TV satellitare, non compresi nella confezione: c’è ampia libertà nella scelta dell’antenna ariflettore parabolico con il relativo LNB, feed e cavo coassiale per il collegamento al nostro sistema. Perchi desidera ottimizzare le prestazioni del radiotelescopio suggeriamo l'utilizzo dell'unità esterna

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RAL10_LNB controllata termicamente e l'antenna RAL230ANT, un riflettore parabolico a rete da 2.3 metridi diametro, facilmente installabile sulle montature equatoriali comunemente utilizzate per le osservazioniastronomiche ottiche o sui sistemi di movimentazione per antenna utilizzati dai radioamatori. Losperimentatore sarà in grado di personalizzare e ottimizzare la propria stazione radioastronomica, datoche il nostro catalogo comprende tutti gli accessori necessari.

RadioAstroLab propone anche un servizio di consulenza e di produzione “ad hoc” di apparecchiatureper la radioastronomia amatoriale e per le applicazioni scientifiche in genere. Si spazia dalle modifiche odalle personalizzazioni proposte dai clienti, fino alla progettazione e alla produzione di impiantiradioastronomici completi e di radiotelescopi amatoriali e semi-professionali. Tale servizio risponde nonsolo alle richieste dei privati, ma anche a quelle delle associazioni (come, ad esempio, gli astrofili e iradioamatori), dei gruppi di lavoro scientifici, delle scuole e delle università, degli enti di ricercagovernativi e privati, dei musei e degli istituti di divulgazione della scienza, realtà che spesso chiedonosoluzioni mirate.

In questo documento descriveremo come utilizzare RAL10AP per costruire un radiotelescopio didatticoche rappresenta il primo sicuro approccio alla radioastronomia.

Introduzione

La costruzione di semplici ed economici radiotelescopi a microonde, funzionanti nella banda difrequenze da 10 a 12 GHz, è oggi notevolmente semplificata se si utilizzano sistemi di antenna ecomponenti provenienti dal mercato della TV satellitare, disponibili ovunque a basso costo. Un similestrumento consente un approccio semplice e immediato alla radioastronomia e alle tecniche basilari diacquisizione e di interpetazione delle misure. Grazie alla diffusione commerciale del servizio TVsatellitare sono facilmente reperibili sul mercato moduli come preamplificatori-convertitori a bassorumore (LNB: Low Noise Block), preamplificatori IF di linea e antenne a riflettore parabolico complete disupporti meccanici per il montaggio e l’orientamento.

Utilizzando una comune antenna TV-SAT abbinata alla specifica unità esterna LNB (con illuminatore)e collegando questi a RAL10AP, è semplice e immediato rendere operativo un radiometro funzionante a11.2 GHz, adatto allo studio della radiazione termica del Sole, della Luna e delle radiosorgenti piùintense, con sensibilità principalmente funzione delle dimensioni dell’antenna. Si tratta di uno strumentocompleto che prevede un'interfaccia di comunicazione USB con il PC di stazione, un'uscita audio delsegnale rivelato e il software DataMicroRAL10 per l'acquisizione automatica dei dati e per il controllo delricevitore.

Data la piccola lunghezza d’onda, è relativamente semplice costruire radiotelescopi amatoriali conbuone caratteristiche direttive e accettabile potere risolutivo. Anche se in questa gamma di frequenze non“brillano” radiosorgenti particolarmente intense (esclusi il Sole e la Luna), la sensibilità del sistema èesaltata dalle grandi larghezze di banda utilizzabili e dalla ridotta influenza dei disturbi artificiali: ilradiotelescopio può essere installato sul tetto o sul giardino di casa, anche in zona urbana. I satellitigeostazionari televisivi rappresentano indubbiamente fonti di interferenza, ma è facile evitarli senzalimitare troppo il campo osservativo, essendo la loro posizione fissa e nota. Come vedremo, la possibilitàdi monitorare il segnale audio rivelato utilizzando uno dei qualsiasi programmi gratuiti scaricabili dalweb per l'analisi degli spettrogrammi, consente di verificare l'eventuale presenza di segnali radiointerferenti di origine artificiale.

Per la sua economia di acquisto e praticità di utilizzo RAL10AP rappresenta il miglior punto dipartenza per gli appassionati che desiderano accostarsi al mondo della radioastronomia amatorialeosservando il cielo con un approccio diverso e complementare rispetto a quello tradizionale.

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Il ricevitore: come funziona un radiometro Total-Power.

Il radiometro è un ricevitore a microonde molto sensibile e calibrato, utilizzato per misurare latemperatura associata allo scenario intercettato dall’antenna, dato che qualsiasi oggetto naturale emetteuna potenza di rumore funzione della temperatura e delle caratteristiche fisiche.

In radiometria è conveniente esprimere la potenza in termini di temperatura equivalente: secondo lalegge di Rayleigh-Jeans, che si applica alle frequenze delle microonde, è sempre possibile definire unatemperatura di un corpo nero (chiamata temperatura di brillanza) che irradia la stessa potenza di quelladissipata da una resistenza di terminazione collegata all’antenna ricevente (temperatura di antenna).Considerando un’antenna ideale che “vede” un oggetto con una data temperatura di brillanza, la potenzadi segnale misurata dall’antenna è esprimibile tramite la temperatura di antenna. Obiettivo della misuraradiometrica è quello di ricavare la temperatura di brillanza dell’oggetto dalla temperatura di antennamisurata, con risoluzione e accuratezza adeguate.

Fig. 1: Temperatura di brillanza del cielo in funzione della frequenza e dell’angolo di elevazione dell’antenna.

In radioastronomia il segnale ricevuto è proporzionale alla potenza associata alla radiazione ricevutaentro la banda passante dello strumento, quindi alla temperatura di brillanza della regione di cielo “vista”dal fascio di antenna. Il radiometro si comporta come un termometro che misura la temperaturaequivalente di rumore dello scenario celeste osservato. Il nostro radiotelescopio, operante alla frequenzadi 11.2 GHz, misura una temperatura equivalente di rumore molto bassa (riconducibile alla radiazionefossile a circa 3 K), generalmente dell’ordine di 6-10 K (il cielo freddo) che corrisponde alla minimatemperatura misurabile e tiene conto delle perdite strumentali (Fig. 1), se l’antenna è orientata verso unaregione di cielo sereno e asciutto dove sono assenti radiosorgenti (atmosfera chiara, con assorbimentoatmosferico trascurabile – Fig. 2). Se l'orientamento dell’antenna si mantiene 15°-20° sopra l’orizzonte,lontano dal Sole e dalla Luna, si può stimare una temperatura di antenna compresa fra qualche grado epoche decine di gradi (dovuta principalmente ai lobi secondari). Orientando l’antenna sul terreno latemperatura sale a valori dell’ordine di 300 K, se è interessato tutto il fascio di ricezione.

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Fig. 2: Attenuazione dovuta alle proprietà di assorbimento dei gas presenti nell'atmosfera.

Il più semplice radiometro a microonde (Fig. 3) comprende un’antenna collegata a un amplificatore abasso rumore (LNA: Low Noise Amplifier) seguito da un rivelatore con caratteristica quadratica.L’informazione “utile radioastronomica” è la potenza associata al segnale ricevuto, proporzionale al suoquadrato: il dispositivo che esegue tale funzione è il rivelatore, generalmente implementato con un diodofunzionante nella regione quadratica della sua caratteristica. Per ridurre il contributo delle fluttuazionistatistiche del rumore rivelato, quindi ottimizzare la sensibilità del sistema ricevente, segue un bloccointegratore (filtro bassa-basso) che calcola la media temporale del segnale rivelato secondo unadeterminata costante di tempo.

Il radiometro appena descritto è chiamato ricevitore Total-Power in quanto misura la potenza totaleassociata al segnale captato dall’antenna e al rumore generato dal sistema. Il segnale all’uscitadell’integratore si presenta come una componente quasi-continua dovuta al contributo di rumore delsistema con piccole variazioni (di ampiezza molto inferiore a quella della componente stazionaria) dovutealle radiosorgenti che “transitano” davanti al fascio di antenna. Utilizzando un circuito differenziale dipost-rivelazione, se i parametri del ricevitore si mantengono stabili, è possibile misurare solo le variazionidi potenza dovute alla radiazione proveniente dall’oggetto “inquadrato” dal lobo di antenna,“cancellando” la componente quasi-continua causata dal rumore strumentale: questo è lo scopo delsegnale di azzeramento della linea di base mostrato in Fig. 3.

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Il problema principale delle osservazioni radiometriche è legato all’instabilità del fattore diamplificazione del ricevitore rispetto alle variazioni di temperatura: si osservano derive sulla componentequasi-continua rivelata che “confondono” lo strumento, annullando parzialmente l’azione dicompensazione della linea di base. Tali fluttuazioni sono indistinguibili dalle “variazioni utili” delsegnale. Se la catena ricevente amplifica molto, a causa di tali instabilità è facile osservare fluttuazioninella risposta tali da costituire un limite pratico al massimo valore utilizzabile per l'amplificazione.Questo problema si può parzialmente risolvere, con risultati soddisfacenti nelle applicazionidilettantistiche, stabilizzando termicamente il ricevitore e l’unità elettronica esterna (LNB: Low NoiseBlock) collocata sul fuoco dell’antenna, maggiormente soggetta alle escursioni termiche giornaliere.Appositamente progettato per tale scopo è il modulo RAL10_LNB, disponibile su richiesta: il dispositivo,installato sul fuoco dell'antenna, può essere collegato a tutti i ricevitori della linea RAL10 tramite cavocoassiale per TV-SAT. L'unità, costruita in una robusta struttura in alluminio coibentato, è termicamentestabilizzata con un regolatore interno: un cavo elettrico (separato dal cavo coassiale) porta l'alimentazionea bassa tensione (12 V) per il circuito di stabilizzazione. L'utente può scegliere se alimentare il circuito distabilizzazione termica quando sono pianificate osservazioni che richiedono elevata precisione nellamisura.

Fig. 3: Schema a blocchi di principio di un radiometro Total-Power.

Descriviamo brevemente le caratteristiche del modulo radiometrico che costituisce il nucleo centraledel sistema. La Fig. 4 mostra uno schema a blocchi del radiotelescopio con RAL10AP. Per semplicità nonè riportato l’alimentatore e il circuito dell'uscita audio di post-rivelazione. Si notano le tre sezioniprincipali del ricevitore: la prima è l’LNB (Low Noise Block) che amplifica il segnale ricevuto e loconverte verso il basso nella banda di frequenze IF standard [950-2150] MHz della ricezione TVsatellitare. Questo dispositivo è un prodotto commerciale, di solito fornito insieme all’antenna e aisupporti meccanici necessari per il montaggio. Il guadagno in potenza dell’unità è dell’ordine di 50-60dB, con una figura di rumore variabile fra 0.3 e 1 dB. Per chi desidera ottimizzare le prestazioni delradiotelescopio consigliamo l'utilizzo dell'unità esterna RAL10_LNB, equipaggiata con un controlloautomatico che stabilizza la temperatura interna.

Il segnale a frequenza intermedia (IF) è applicato al modulo radiometrico che filtra (con una bandapassante di 50 MHz, centrata sulla frequenza di 1415 MHz), amplifica e misura la potenza del segnalericevuto. E' disponibile un'uscita ausiliaria audio, utile per monitorare le caratteristiche del segnalerivelato: questo segnale, applicato all'ingresso della scheda audio di un PC, può essere amplificato eascoltato, oltre che studiato nel dominio della frequenza, utilizzando uno dei tanti programmi freedisponibili sul web per l'analisi degli spettrogrammi. Dato che l'uscita audio è prelevata dopol'amplificatore di post-rivelazione, il suo livello dipende dal livello di calibrazione della linea di base

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radiometrica. Nella Fig. 9 è mostrato un esempio di utilizzo (non propriamente radioastronomico, ma utileper individuare potenziali interferenze artificiali) dell'uscita audio. Tale peculiarità è una caratteristicadistintiva di RAL10AP.

Un amplificatore di post-rivelazione adatta il livello del segnale rivelato alla dinamica di acquisizionedel convertitore analogico-digitale (ADC con 14 bit di risoluzione) che “digitalizza” l’informazioneradiometrica. Questo blocco finale, gestito da un microcontrollore, genera un offset programmabile per lalinea di base radiometrica (segnale Vrif in Fig. 3), calcola la media mobile su un numero di campionistabilito e forma il pacchetto dei dati seriali che sarà trasmesso all’unità centrale. L’ultimo stadio è lascheda interfaccia USB che gestisce la comunicazione con il PC sul quale sarà installato il softwareDataMicroRAL10 per l’acquisizione e il controllo dello strumento. Il processore esegue le funzioni dielaborazione e di controllo minimizzando il numero di componenti elettronici esterni e massimizzando laflessibilità del sistema dovuta alla possibilità di programmare i parametri operativi dello strumento.L’utilizzo di un modulo specificamente progettato per osservazioni radioastronomiche, che integra lefunzionalità richieste a un radiometro, garantisce allo sperimentatore prestazioni sicure e ripetibili.

Fig. 4: Schema a blocchi del radiotelescopio. L’unità esterna LNB (con feed) è installata sul fuoco del riflettoreparabolico: un cavo coassiale TV-SAT da 75 Ω collega l’unità esterna con il ricevitore RAL10AP che comunicacon il PC (sul quale è stato installato il software DataMicroRAL10) tramite l’interfaccia USB. Il sistema utilizza unprotocollo di comunicazione proprietario. Nello schema non sono riportati i circuiti dell'alimentatore e dell'uscitaaudio di post-rivelazione. Nel ricevitore RAL10AP sono esclusi l'antenna, l'unità esterna LNB con illuminatore e ilcavo coassiale TV-SAT da 75 W.

Supponendo di utilizzare un LNB di buona qualità (come RAL10_LNB), con una figura di rumoredell’ordine di 0.3 dB e un guadagno medio di 55 dB, si ottiene una temperatura equivalente di rumore delricevitore dell’ordine di 21 K e un guadagno in potenza della catena a radiofrequenza di circa 75 dB.Come si vedrà, queste prestazioni sono adeguate per costruire un radiotelescopio amatoriale adattoall’osservazione delle più intense radiosorgenti in banda 10-12 GHz. La sensibilità del ricevitoredipenderà dalle caratteristiche dell’antenna che rappresenta il collettore della radiazione cosmica, mentrele escursioni termiche del sistema influenzeranno la stabilità e la ripetibilità della misura. L’utilizzo di

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antenne con grande area efficace è un requisito indispensabile per le osservazioni radioastronomiche: nonesiste limite sulle dimensioni dell’antenna utilizzabile, se non fattori economici, di spazio e diinstallazione legati alla struttura di sostegno e di motorizzazione del sistema di orientamento. Questi sonogli ambiti dove la fantasia e l’abilità dello sperimentatore sono determinanti per definire le prestazionidello strumento e possono fare la differenza fra un’installazione e l’altra. Pur utilizzando RAL10AP chegarantisce i requisiti minimi per il radiotelescopio, il lavoro di ottimizzazione del sistema con una scelta eun’installazione adeguata delle parti critiche a radiofrequenza (antenna, illuminatore e LNB), la messa inopera di contromisure che minimizzano gli effetti negativi delle escursioni termiche, assicura importantivantaggi nelle prestazioni dello strumento.

Fig. 5: Particolari interni del modulo radiometrico microRAL10, il “cuore” di RAL10AP.

RAL10AP è stato progettato per garantire i seguenti requisiti:

• Ricevitore comprendente filtro di banda, amplificatore IF, rivelatore con caratteristica quadraticacompensato in temperatura, amplificatore di post-rivelazione con guadagno, offset e costante diintegrazione programmabili, acquisizione del segnale radio con ADC a 14 bit di risoluzione,processore per la gestione del dispositivo e per la comunicazione seriale. Un regolatore alimental’LNB attraverso il cavo coassiale commutando su due differenti livelli di tensione (circa 12.75 Ve 17,25 V) abilitando la selezione della polarizzazione in ricezione (orizzontale o verticale).

• Frequenza centrale e banda passante di ingresso compatibili con la frequenza protetta inradioastronomia di 1420 MHz e con i valori IF standard della TV satellitare. Definire e limitare labanda passante del ricevitore è importante per garantire ripetibilità nelle prestazioni e perminimizzare gli effetti delle interferenze esterne (le frequenze vicine a 1420 MHz dovrebberoessere abbastanza libere da emissioni, in quanto riservate per la ricerca radioastronomica). Lafrequenza di ricezione del radiotelescopio sarà prossima 11.2 GHz quando si utilizzano LNBstandard con oscillatore locale a 9.75 GHz.

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• Ridotti consumi elettrici, modularità, compattezza, economia (Fig. 5).

Come mostrato nella Fig. 6, il segnale proveniente dall’LNB è applicato al connettore coassiale F (INRF): il ricevitore acquisisce ed elabora il segnale captato dall'antenna e trasmette i dati radiometrici al PCattraverso la porta USB. Ulteriori analisi sul segnale audio di post-rivelazione sono possibili collegandol'uscita BF-OUT (con un normale cavetto audio stereo equipaggiato con connetori mini-jack da 3.5 mm,non compreso nella confezione) all'ingresso della scheda audio del PC che consente anche l'ascolto del“rumore rivelato”. Nella Fig. 9 è mostrato un esempio di utilizzo dell'uscita audio, non propriamenteradioastronomico, ma utile per individuare potenziali interferenze artificiali.

Il jack di connessione per l'alimentazione esterna a 12 VDC ha il terminale centrale collegatocon il positivo (+) e il terminale esterno collegato con il negativo (- GND) della tensione dialimentazione. RAL10AP comprende due fusibili di protezione (con interruzione segnalata a led) perl'alimentazione generale e quella dell'unità esterna LNB fornita attraverso il cavo coassiale.

Fig. 6: Vista frontale e posteriore di RAL10AP: si notano (da sinistra) la presa per l'alimentazione generale a 12VDC, i porta-fusibili con interruzione segnalata a led per l'alimentazione generale e per l'alimentazione dell'unitàesterna LNB attraverso il cavo coassiale (le spie luminose a led si spengono quando il rispettivo fusibile èbruciato), l'uscita audio di post-rivelazione (BF-OUT) e la porta USB (di tipo B) per il trasferimento dei datiacquisiti al PC (con le relative segnalazioni led che indicano la direzione del flusso di dati).Sul pannello posteriore si trova il connettore F per l'ingresso del segnale (IN RF) proveniente dall'unità esternaLNB. L'alimentatore mostrato nelle foto non è compreso nella fornitura ed è disponibile su richiesta.

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ATTENZIONE: effettuare i collegamenti fra l’unità esterna LNB e il ricevitore RAL10AP con ildispositivo spento e il cavo di alimentazione non collegato. Prima di alimentare lo strumento, perevitare danni all’alimentatore, verificare l’assenza di corto-circuiti fra la calza esterna del cavocoassiale e il conduttore interno. Un fusibile (con interruzione segnalata a led) protegge RAL10APda accidentali corto-circuiti.

Fig. 7: Caratteristica ingresso-uscita del radiometro misurata in laboratorio con un guadagno di post-rivelazioneGAIN=7 (guadagno in tensione 168). In ascissa è riportato il livello di potenza del segnale RF-IF applicato, inordinata si vede il livello di segnale acquisito dal convertitore analogico-digitale interno (espresso in unitàrelative [ADC count]).

La Fig. 7 mostra la risposta del radiometro quando è impostato un guadagno di post-rivelazioneGAIN=7. La curva è espressa in unità relative [ADC count] quando all’ingresso del modulo è applicato unsegnale sinusoidale con frequenza di 1415 MHz. Le tolleranze nei valori nominali dei componenti,soprattutto per quanto riguarda il guadagno dei dispositivi attivi e la sensibilità di rivelazione nei diodi,generano differenze nella caratteristica ingesso-uscita (pendenza e livello di offset) fra distinti moduli.Sarà quindi necessario calibrare la scala di misura dello strumento se si desidera ottenere una valutazioneassoluta della potenza associata alla radiazione ricevuta.

Completiamo la descrizione illustrando il protocollo di comunicazione seriale sviluppato percontrollare il radiotelescopio: queste informazioni sono utili per chi desidera sviluppare applicazionipersonalizzate alternative al software DataMicroRAL10 da noi fornito.

Un PC (master) trasmette comandi a RAL10AP (slave) che risponde con pacchetti di daticomprendenti le misure dei segnali acquisiti, i valori dei parametri operativi e lo stato del sistema. Ilformato è seriale asincrono, con un Bit Rate di 38400 bit/s, 1 bit di START, 8 bit di dati, 1 bit di STOP enessun controllo di parità. Il pacchetto di comandi trasmesso dal dispositivo master è il seguente:

Byte 1: address=135 Indirizzo (valore decimale) associato al ricevitore RAL10AP.

Byte 2: comando Codice di comando con i seguenti valori:comando=10: Imposta il valore di riferimento per il parametro BASE_REF.

(espresso in due byte LSByte e MSByte).comando=11: Imposta il guadagno di post-rivelazione GAIN.comando=12: Comanda l’invio di un singolo pacchetto di dati (ONE SAMPLE).comando=13: Avvia/Arresta l’invio dei dati a ciclo continuo. Si ha:

TX OFF: [LSByte=0], [MSByte=0].TX ON: [LSByte=255], [MSByte=255].

comando=14: Forza in RESET software il ricevitore.

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comando=15: Memorizza in E2PROM i parametri del radiometro.comando=16: Imposta il valore per la costante di integrazione della misura

INTEGRATOR.comando=17: Imposta la polarizzazione in ricezione (A POL., B POL).comando=18: Non utilizzato.comando=19: Non utilizzato.comando=20: Attiva la calibrazione automatica CAL della linea di base.

Byte 3: LSByte Byte meno significativo del dato trasmesso.Byte 4: MSByte Byte più significativo del dato trasmesso.Byte 5: checksum Checksum calcolato come somma a 8 bit dei byte precedenti.

I parametri hanno il seguente significato:

BASE_REF: Valore a 16 bit [0÷65535] proporzionale alla tensione di riferimento Vrif (Fig. 2)utilizzata per impostare un offset sulla linea di base radiometrica.E’ possibile aggiustare automaticamente il valore di BASE_REF con la procedura dicalibrazione CAL (comando=20) in modo da posizionare il livello di riferimentodel segnale ricevuto (che corrisponde allo “zero”) al centro della scala di misura.Questo parametro può essere memorizzato nella memoria interna del processoreutilizzando comando=15.

GAIN: Guadagno (in tensione) di post-rivelazione. Sono selezionabili i seguenti valori:GAIN=1: guadagno effettivo 42.GAIN=2: guadagno effettivo 48.GAIN=3: guadagno effettivo 56.GAIN=4: guadagno effettivo 67.GAIN=5: guadagno effettivo 84.GAIN=6: guadagno effettivo 112.GAIN=7: guadagno effettivo 168.GAIN=8: guadagno effettivo 336.GAIN=9: guadagno effettivo 504.GAIN=10: guadagno effettivo 1008.I valori del fattore di amplificazione da 1 a 10 sono simbolici: utilizzare lecorrispondenze per conoscere i valori effettivi.Questo parametro può essere memorizzato nella memoria interna del processoreutilizzando comando=15.

INTEGRATOR: Costante di integrazione della misura radiometrica. Si ha:INTEGRATOR=0: costante di integrazione breve “A”.INTEGRATOR=1: costante di integrazione “B”.INTEGRATOR=2: costante di integrazione “C”.INTEGRATOR=3: costante di integrazione “D”.INTEGRATOR=4: costante di integrazione “E”.INTEGRATOR=5: costante di integrazione “F”.INTEGRATOR=6: costante di integrazione “G”.INTEGRATOR=7: costante di integrazione “H”.INTEGRATOR=8: costante di integrazione lunga “I”.La misura radiometrica è il risultato di un calcolo di media mobile eseguito suN=2INTEGRATOR campioni di segnale acquisiti. Incrementando questo valore si riduce

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l’importanza della fluttuazione statistica del rumore sulla misura, con un“livellamento” nel segnale ricevuto che migliora la sensibilità del sistema.

Il parametro INTEGRATOR “ammorbidisce” le fluttuazioni del segnale rivelato con un'efficaciaproporzionale al suo valore. Come per qualsiasi processo di integrazione della misura, occorreconsiderare un ritardo nella registrazione del segnale legato al tempo di campionamentodell'informazione, al tempo di conversione ADC e al numero di campioni utilizzati per calcolare la media.La Fig. 13 illustra il concetto. E' possibile stimare il valore della costante di tempo τ espressa in secondiutilizzando la seguente tabella:

INTEGRATOR Costante di tempo integratore τ [secondi]0 0.11 0.22 0.43 0.84 25 36 77 138 26

A POL, B POL: definisce la polarizzazione in ricezione dell’LNB:POL=1: polarizzazione B (B POL.).POL=2: polarizzazione A (A POL.).In funzione delle caratteristiche dell'unità utilizzata e del suo posizionamento sulpunto focale dell’antenna, i simboli A POL. e B POL. Indicheranno lapolarizzazione orizzontale o quella verticale.Questo parametro può essere memorizzato nella memoria interna del processoreutilizzando comando=15.

Ad ogni comando ricevuto RAL10AP risponde con il seguente pacchetto di dati:

Byte 1: ADDRESS=135 Indirizzo (valore decimale) associato a RAL10AP.Byte 2: GAIN + INTEGRATOR Guadagno di post-rivelazione e costante di integrazione.Byte 3: POL Polarizzazione in ricezione (A o B).Byte 4:LSByte di BASE_REF Byte meno significativo del parametro BASE_REF.Byte 5: MSByte di BASE_REF Byte più significativo del parametro BASE_REF.Byte 6: Riservato.Byte 7: Riservato.Byte 8: LSByte di RADIO Byte meno significativo della misura radiometrica.Byte 9: MSByte di RADIO Byte più significativo della misura radiometrica.Byte 10: Riservato.Byte 11: Riservato.Byte 12: Riservato.Byte 13: Riservato.Byte 14: STATUS Variabile di stato del sistema.Byte 15: CHECKSUM Checksum (somma a 8 bit dei byte precedenti).

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I 4 bit meno significativi del Byte2 ricevuto contengono il valore del guadagno di post-rivelazioneGAIN mentre i 4 bit più significativi contengono il valore della costante di integrazione INTEGRATOR. I4 bit meno significativi del Byte3 ricevuto contengono la variabile POL che indica la polarizzazioneimpostata in ricezione.

Il Byte 14 STATUS rappresenta lo stato del sistema: il bit_0 segnala la condizione STOP/START dellatrasmissione continua dei pacchetti di dati da parte del radiometro verso il PC, mentre il bit_1 segnalal’attivazione della procedura automatica di calibrazione CAL per il parametro BASE_REF.

Il valore RADIO associato alla misura radiometrica (che varia da 0 a 16383) è espresso con due byte(LSByte e MSByte) dalla relazione: RADIO=LSByte+256⋅MSByte . Identica regola vale per ilparametro BASE_REF.

Utilizzando comando=15 è possibile memorizzare nella memoria non volatile del processore iparametri GAIN, BASE_REF e POL del radiometro, così da ripristinare le condizioni di calibrazionesalvate ogni volta che si alimenta il dispositivo.

Caratteristiche tecniche di RAL10AP

• Dimensioni RAL10AP: circa [105L X 50H X 183P] mm.• Peso RAL10AP: circa 0.545 Kg.• Frequenza operativa del ricevitore: 11.2 GHz (utilizzando LNB standard per TV-SAT con

oscillatore locale a 9.75 GHz).• Frequenza di ingresso (RF-IF) del modulo radiometrico: 1415 MHz.• Larghezza di banda del ricevitore: 50 MHz.• Guadagno tipico della sezione RF-IF: 20 dB.• Impedenza connettore F per l’ingresso RF-IF: 75 Ω.• Rivelatore quadratico a doppio diodo compensato in temperatura per la misura della potenza del segnale ricevuto.• Impostazione dell’offset per la linea di base radiometrica.• Calibrazione automatica della linea di base radiometrica.• Costante di integrazione programmabile: Media mobile programmabile calcolata su N=2INTEGRATOR

campioni radiometrici acquisiti.Costante di tempo variabile da circa 0.1 a 26 secondi.

• Guadagno in tensione di post-rivelazione programmabile: da 42 a 1008 in 10 passi.• Acquisizione del segnale radiometrico: Risoluzione ADC 14 bit.• Memorizzazione dei parametri del radiometro nella memoria E2PROM del processore.• Microprocessore che controlla il sistema ricevente e gestisce la comunicazione seriale.• Interfaccia USB (tipo B) per il collegamento al PC con protocollo di comunicazione proprietario.• Uscita audio di post-rivelazione (connettore mini-jack stereo da 3.5 mm) per monitoraggio audio.• Gestione del cambio di polarizzazione (orizzontale o verticale) con il salto di tensione, se si utilizzano LNB dotati di

tale funzione.• Tensione di alimentazione (con alimentatore stabilizzato esterno): 12 VDC – 2 A min.

Protezione alimentazione generale con fusibile (segnalazione di interruzione a led).• Alimentazione per LNB attraverso il cavo coassiale, protetta con fusibile (segnalazione di interruzione a led).

AVVERTENZA: il ricevitore RAL10AP è molto sensibile quando equipaggiato con antennasufficientemente grande. Un miglioramento nelle prestazioni si ottiene stabilizzando termicamenteanche l’unità esterna LNB (Low Noise Block), soggetta alle escursioni giornaliere che causanovariazioni del fattore di amplificazione con la temperatura. Per questo motivo abbiamo sviluppatol'unità esterna RAL10_LNB, equipaggiata con un regolatore automatico della temperatura interna. Ildispositivo è disponibile su richiesta.

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La confezione contiene:

• N. 1 ricevitore 11.2 GHz Total-Power Microwave Radiometer RAL10AP (Fig. 6).• N. 1 Cavo USB (intestato con connettori USB di tipo A e B) per collegare il ricevitore RAL10AP

al computer di stazione.• Fusibili di riserva per l’alimentazione generale e per l’alimentazione LNB attraverso il cavo

coassiale.• Software DataRAL10 per il controllo dello strumento, per l’acquisizione, la visualizzazione e la

registrazione automatica dei dati.• N. 1 CD con la documentazione tecnica (manuali d’uso) dello strumento e del software, le schede

dei prodotti RadioAstroLab, il pacchetto di installazione del software DataRAL10 e dei driver.Ulteriori e aggiornate informazioni sono reperibili sul sito www.radioastrolab.it.

Dalla fornitura sono esclusi l'unità esterna LNB, il cavo coassiale da 75 Ω, il sistema di antenna, ilcavo audio mini-jack e l'alimentatore esterno da rete. Con RAL10AP è possibile utilizzare qualsiasi kitcommerciale per la ricezione satellitare in banda 10-12 GHz (antenna a riflettore parabolico e unitàesterna LNB con feed) con cavo coassiale TV-SAT da 75 Ω a bassa perdita della migliore qualità, tagliatoper la lunghezza che serve e intestato con connettori F. Si ottengono le migliori prestazioni dal radiometroutilizzando l'unità esterna termostabilizzata RAL10_LNB.

E' possibile alimentare RAL10AP con una batteria esterna: questa opzione è utile in sessioni di misura“sul campo” dove non è disponibile la tensione di rete. Particolarmente adatta allo scopo è la l'UnitàBatteria Ricaricabile RAL10BT.

RadioAstroLab garantisce i propri prodotti per la durata di anni uno quando utilizzati secondo leistruzioni e le raccomandazioni presenti in questo documento. Il costruttore non risponde dimalfunzionamenti o danni arrecati all’apparecchio dovuti a una cattiva installazione o a causadell’utilizzo di componenti esterni non adeguati (unità esterna, sistema di antenna e cavo coassiale, partimeccaniche utilizzate per il fissaggio dell’illuminatore, dell’antenna e per il puntamento).

Il costruttore si riserva di apportare modifiche, anche senza preavviso, sulla macchina e sulladocumentazione allo scopo di migliorarne le prestazioni.

Per ottenere i migliori risultati dal ricevitore RAL10AP è indispensabile che l’utente leggaattentamente questo manuale che, data la complessità della disciplina, potrebbe risultare non completo.Sono previsti periodici aggiornamenti di questo documento e il rilascio di note applicative.

Software di acquisizione e di controllo DataMicroRAL10.

La fornitura di RAL10AP comprende il software di acquisizione e di controllo DataMicroRAL10: ètutto ciò che serve, a livello di base, per gestire il nostro radiotelescopio. DataMicroRAL10 èun’applicazione sviluppata per controllare, acquisire, visualizzare in forma grafica e registrare i datiforniti dal radiotelescopio. Il programma è semplice, finalizzato a un utilizzo immediato e “leggero” suPC equipaggiati con i sistemi operativi Windows (a 32 bit e 64 bit), Mac OS X (intel o PPC) e Linux (a 32bit e 64 bit), dotati di almeno una porta USB standard. E’ possibile utilizzare il programma senzalimitazioni di licenza e/o numero di installazioni. Per installare il programma seguire le seguentiindicazioni:

1. Sistemi operativi Windows con architettura a 32 bit (x86) e a 64 bit (x64):

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Copiare la cartella DataMicroRAL10 X.X Win x86 o DataMicroRAL10 X.X Win x64 sul desktop (osu un’altra directory specificamente creata). All’interno delle precedenti cartelle si trovano,rispettivamente, i programmi di installazione DataMicroRAL10 X.X setup x86.exe oppureDataMicroRAL10 X.X setup x64.exe. Aprire il file relativo al proprio sistema per lanciarel’installazione e seguire le istruzioni dell’installazione guidata. Il setup installerà il programmanella cartella C:\programmi\DataMicroRAL10 X.X.Sistemi operativi Mac OS X:Copiare la cartella DataMicroRAL10 X.X Mac os x sul proprio PC (ad esempio sul desktop o suun’altra directory specificamente creata): al suo interno si trova il file DataMicroRAL10 X.X.app,il programma non necessita di installazione.Sistemi operativi basati su LINUX con architettura a 32 bit (x86) e a 64 bit (x64):Copiare la cartella DataMicroRAL10 X.X Linux x86 o DataMicroRAL10 X.X Linux x64 suldesktop (o su un’altra directory specificamente creata). All’interno delle precedenti cartelle sitrovano, rispettivamente, i file DataMicroRAL10_X.X_x86.sh e DataMicroRAL10_X.X_x64.sh, iprogrammi non necessita di installazione.

2. Prima di avviare il programma occorre installare il driver di interfaccia con la porta USB del PC. Idriver per i vari sistemi operativi (che emulano una porta seriale COM) e le istruzioni diinstallazione sono disponibili per il download presso il sito:http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htmScegliere fra le opzioni disponibili per il chip FT232R (utilizzato nel modulo interfaccia USB)quella compatibile con il proprio sistema operativo e l’architettura del proprio PC. In questo modosi ha la sicurezza di ottenere sempre la versione aggiornata del firmware. Nella pagina del sitosono anche riportate semplici indicazioni per l’installazione del driver.

3. Eseguiti i passi precedenti, collegare il cavo USB al PC e alimentare il radiotelescopio.4. Ora il sistema è pronto per la sessione di misura. E’ possibile lanciare il programma di

acquisizione DataMicroRAL10 X.X con un doppio click sull’icona creata sul desktop oppure dalmenù avvio.

Gli aggiornamenti del programma saranno scaricabili gratuitamente dalle pagine del sitowww.radioastrolab.it.

DataMicroRAL10 è una finestra operativa che raggruppa le funzioni del programma: un’area graficavisualizza l’andamento nel tempo del segnale acquisito, una casella visualizza il valore numerico di ognisingolo campione (Radio [count]), ci sono pulsanti per il controllo e per le impostazioni generali. Durantel’avvio del programma (doppio click sull’icona) si attiva un controllo sulle porte seriali virtualidisponibili sul PC elencate nella finestra COM PORT. Dopo aver selezionato la porta impegnata daldriver (le altre, se presenti, non funzionano) si apre la connessione premendo il pulsante Connect. E’possibile avviare l’acquisizione dei dati premendo il pulsante verde ON: la traccia grafica del segnale siaggiorna in tempo reale insieme al valore numerico dell’ampiezza espresso in unità relative sulla finestraRadio [count]. Il flusso di dati fra lo strumento e il PC è segnalato dal lampeggio delle spie luminose (ledrosso e verde) sul ricevitore RAL10AP.

Il pannello General Settings raggruppa i comandi per le impostazioni del programma e per il controllodello strumento. Il parametro SAMPLING definisce il numero di campioni con i quali deve esserecalcolata la media (quindi ogni quanto tempo deve essere aggiornata la traccia grafica): esso stabilisce lavelocità di avanzamento del grafico, quindi la quantità complessiva di dati registrati per ogni sessione dimisura (è registrato un file *.TXT per ogni schermata grafica). La scelta del valore da assegnare a questoparametro è funzione delle caratteristiche di variabilità del segnale e delle necessità di filtraggio.

L’applicazione controlla RAL10AP: l’impostazione del fattore di amplificazione GAIN, l’impostazionedel riferimento per la linea di base BASE REF, il comando RESET del ricevitore, l’attivazione dellaprocedura di calibrazione automatica CAL, l’acquisizione di un singolo campione di segnale ONE

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SAMPLE. Tutte le impostazioni, ad esclusione del comando RESET, saranno accettate dal radiometro soloquando non è in corso l’acquisizione continua dei dati. L’ora e la data locale saranno visibili sulla finestraTime in alto a destra.

La parte sinistra dell’area grafica comprende due caselle modificabili dove si impostano il valoreinferiore (Ymin) e quello superiore (Ymax) per la scala delle ordinate, limiti della rappresentazionegrafica: è possibile evidenziare dettagli nell’evoluzione del segnale acquisito effettuando un’operazione di“zoom” sulla traccia. Il pulsante CLEAR pulisce la finestra grafica mentre l’opzione SAVE abilita laregistrazione dei dati acquisiti al termine di ogni schermata, formattati in un file di testo (con estensione*.TXT) facilmente importabile da qualsiasi foglio di calcolo elettronico per successive elaborazioni.

Fig. 8: Programma DataMicroRAL10.

La registrazione dei dati avviene solo se, durante una schermata, il segnale acquisito supera ivalori di soglia ALARM THRESHOLD High e Low precedentemente impostati (tracce continue dicolore verde). In particolare, deve essere verificata la seguente condizione:

Radio >= Threshold H oppure Radio <= Threshold L.

E' possibile abilitare un allarme acustico che si attiva ogni volta che il segnale radiometrico supera lesoglie precedentemente specificate (Fig. 8).

Ogni file salvato è identificato da un nome “radice” seguito da un numero progressivo identico alsuccedersi delle schermate grafiche. Un esempio di file registrato da DataMicroRAL10 è il seguente:

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DataMicroRAL10Sampling=1Guad=10Ref_Base=33880Integrator=3Polarization=ADate=29/3/2013

TIME RADIO14:31:50 377714:31:50 378114:31:50 377014:31:50 381614:31:50 3788…….…….

Si notano un’intestazione che riporta il nome del programma, le impostazioni dei parametri e la data diinizio della sessione di misura. Ogni riga di dati comprende l’ora locale di acquisizione del singolocampione e il suo valore espresso in unità relative [0 ADC count 16383], separati da uno spazio. Ilvalore massimo della scala, quindi la risoluzione della misura, è stabilito dalle caratteristiche dinamichedel convertitore analogico-digitale del ricevitore (14 bit).

E' possibile salvare nella memoria interna non volatile del radiometro i valori dei parametri operativi(guadagno di post-rivelazione GAIN, offset per la linea di base radiometrica BASE_REF e polarizzazionein ricezione POL) tramite il comando MEM: in questo modo, ogni volta che si alimenta lo strumento,sono ripristinate le condizioni operative ottimali, scelte dopo opportuna calibrazione in funzione dellecaratteristiche della catena ricevente e dello scenario osservato.

Per comodità dell’utente si allega il foglio di calcolo ImportaDati_DataMicroRAL10: si tratta di un fileEXCEL con macro che consente di importare un file di testo precedentemente registrato daDataMicroRAL10. E’ possibile creare automaticamente grafici (liberamente modificabili nelleimpostazioni) ogni volta che si preme il pulsante OPEN FILE e si seleziona un file da importare: i nuovidati saranno sovra-scritti nella tabella, mentre i grafici sono semplicemente sovrapposti. E’ sufficientespostare i grafici per evidenziare quello che interessa. Occorre attivare la funzione “macro” da EXCELquando si apre ImportaDati_DataMicroRAL10.

Prestazioni del radiotelescopio.

I parametri critici di un radiotelescopio sono:

• Antenna: guadagno, ampiezza del lobo principale, forma del diagramma di ricezione.• Figura di rumore, guadagno complessivo e banda passante dei blocchi di pre-rivelazione.• Sensibilità di rivelazione: dipende dal tipo di rivelatore utilizzato.• Guadagno di post-rivelazione.• Costante di tempo dell’integratore: riduce le fluttuazioni statistiche del segnale di uscita.

Abbiamo verificato le prestazioni teoriche di un radiotelescopio che utilizza una comune antenna perTV-SAT (con diametri tipici che vanno da 60 cm fino a 200 cm) e un LNB collegati a RAL10AP: si ècalcolata, con un simulatore sviluppato “ad hoc”, la sensibilità del sistema necessaria per condurre consuccesso osservazioni radioastronomiche dilettantistiche. Come sorgenti di prova per le simulazioni sisono utilizzate la Luna (flusso dell’ordine di 52600 Jy) e il Sole (flusso dell’ordine di 3.24∙10 6 Jy a 11.2GHz), osservate con un’antenna a riflettore parabolico circolare di 1.5 metri di diametro. Queste

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radiosorgenti, facilmente ricevibili, sono caratterizzate da flussi noti e sono utilizzabili come “calibratori”per caratterizzare il radiotelescopio e per misurare il diagramma di ricezione dell’antenna. Grandi antenneconsentono una mappatura del cielo con sufficiente contrasto e l’osservazione di altri oggetti più debolicome il centro galattico, le radiosorgenti Cassiopea A e Taurus A. Alle lunghezze d’onda operative delnostro ricevitore le emissioni termiche della Luna hanno origine in regioni vicine alla sua superficie:saranno misurabili i cambiamenti di temperatura del suolo che si verificano durante il giorno lunare.Altrettanto interessanti sono le misure radiometriche dell’emissione lunare durante le eclissi o leoccultazioni da parte di altri corpi celesti.

Le simulazioni hanno valore teorico, dato che considerano un comportamento ideale del sistemaricevente, privo di derive nel fattore di amplificazione. Sono comunque utili per comprendere ilfunzionamento del radiotelescopio e stimare le sue prestazioni.

Fig. 9: Registrazioni di prova effettuate con RAL10AP. Per l'esperimento si è utilizzata l'unità esternaRAL10_LNB equipaggiata con un'antenna horn tronco-piramidale (20 dB di guadagno), posizionate su uncavalletto fotografico (in alto a sinistra nella foto). L'uscita di RAL10_LNB è stata collegata al ricevitore RAL10APcon un cavo coassiale. Un PC portatile registra il segnale radiometrico a 11.2 GHz ricevendo dati dalla portaUSB tramite il software DataMicroRAL10 (grafico in alto) mentre è contemporaneamente registrato il segnaleaudio proveniente dal rivelatore (uscita audio di post-rivelazione di RAL10AP), visualizzato in forma dispettrogramma dal software Spectrum Lab (http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html).

Le registrazioni mostrano i segnali radar in banda X delle imbarcazioni quando l'antenna è orientata verso ilmare.

La risposta del radiotelescopio è stata calcolata impostando, per ogni osservazione, il valore per ilguadagno di post-rivelazione che garantisce una risposta quadratica del rivelatore. Approssimando il

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diagramma di ricezione dell’antenna e quello di emissione della radiosorgente come aperture circolariuniformemente illuminate è possibile determinare, in prima approssimazione, gli effetti di “filtraggio”spaziale della forma della funzione guadagno di antenna sul profilo vero della radiosorgente, dimostrandoquanto sia importante conoscere le caratteristiche dell’antenna per una corretta valutazione dello scenarioosservato.

Fig. 10: Il profilo teorico di brillanza della Luna (grafico in alto a destra) è determinato da una relazione diconvoluzione fra la temperatura di brillanza dello scenario e la funzione guadagno di antenna. L’antenna di unradiotelescopio tende a livellare la vera distribuzione di brillanza osservata (grafico a sinistra): l’entità delladistorsione strumentale è dovuta alle caratteristiche di “filtraggio” spaziale dell’antenna ed è legata al rapportofra le dimensioni angolari del fascio di ricezione e quelle apparenti della radiosorgente. Nessuna distorsione siverifica se il diagramma di ricezione dell’antenna è molto stretto rispetto all’estensione angolare “radio” dellasorgente (caso di un’antenna molto direttiva).La figura confronta la registrazione teorica del transito lunare simulato e una registrazione sperimentale (graficoin basso) effettuata da un nostro cliente (sig. Giancarlo Madai – La Spezia, che ringraziamo): a parte ildifferente livello di riferimento della linea di base, si nota un'ampiezza comparabile nell'intensità del picco diricezione, valutabile attorno alle 300-350 unità [ADC_count].

La temperatura di antenna rappresenta la potenza di segnale disponibile all’ingresso del ricevitore.Come si vedrà, l’antenna di un radiotelescopio tende a “livellare”, quindi a “diluire”, la vera distribuzionedi brillanza che risulterà “pesata” dalla sua funzione guadagno. Se la sorgente è estesa rispetto al fascio diantenna, la distribuzione di brillanza osservata approssima quella vera. La stima della temperatura diantenna è complessa: molti fattori concorrono alla sua determinazione e non tutti sono di immediatavalutazione. Il contributo alla temperatura di antenna proviene dallo spazio che la circonda, compreso ilterreno. Il problema che si pone all’osservatore è quello di ricavare la distribuzione vera della temperaturadi brillanza partendo dalla misura della temperatura di antenna, effettuando l’operazione di de-

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convoluzione fra la distribuzione di brillanza dello scenario osservato e la funzione guadagno di antenna.E’ quindi molto importante conoscere il diagramma direttivo di un radiotelescopio: la temperatura diantenna misurata, orientando il lobo principale su una data regione dello spazio, può contenere uncontributo energetico non trascurabile proveniente da altre direzioni se essa possiede lobi secondari dilivello troppo elevato.

La temperatura di brillanza del terreno assume tipicamente valori dell’ordine di 240¸300 K, prodottidal contributo dei lobi laterali dell’antenna e dall’effetto di altre sorgenti come la vegetazione. Poichél’antenna di un radiotelescopio è orientata verso il cielo con angoli di elevazione generalmente maggioridi 5°, può captare radiazione termica dal terreno solo attraverso i lobi secondari: il loro contributodipende dalla loro ampiezza rispetto a quella del lobo principale. Essendo il rumore totale captatodall’antenna proporzionale all’integrale della temperatura di brillanza dello scenario osservato, pesatadalla sua funzione guadagno, si verifica che un oggetto molto esteso e caldo come il suolo può dare uncontributo notevole se il diagramma direttivo dell’antenna non è trascurabile in tutte le direzioni cheguardano il terreno.

La Fig. 10 mostra le tracce (simulata e reale) del transito della Luna “vista” dal radiotelescopio:poiché il flusso della sorgente è dell’ordine di 52600 Jy a 11.2 GHz, si è impostato un fattore diamplificazione GAIN=10. La Luna è una radiosorgente facilmente ricevibile. Il profilo di brillanza èespresso in termini di unità numeriche relative acquisite dall’ADC [ADC_count].

Fig. 11: Simulazione del Sole che transita entro il fascio di ricezione del radiotelescopio.

Per osservare il Sole (flusso dell’ordine di 3.24∙106 Jy) utilizzando la stessa antenna sarà necessarioridurre il guadagno a GAIN=7. In Fig. 11 è riportata la traccia del transito del Sole. Questi risultati teoriciconfermano l’idoneità del radiotelescopio per osservare il Sole e la Luna quando è equipaggiato conantenne commerciali normalmente utilizzate per la ricezione TV satellitare.

Una procedura utilizzata dai radioastronomi per determinare il diagramma di radiazione dell’antennadi un radiotelescopio prevede la registrazione del transito di una radiosorgente con diametro apparentemolto piccolo rispetto all’ampiezza del lobo principale di antenna. Un campione molto utilizzato èCassiopea A (3C461), intensa sorgente galattica di facile puntamento nell’emisfero boreale, con unospettro rettilineo (in scala bi-logaritmica) sulla banda da 20 MHz a 30 GHz, con una diminuzione nelladensità di flusso dell'ordine dell'1%/anno. Per calcolare il flusso della radiosorgente alla frequenza di 11.2GHz si utilizza l’espressione:

S ( f )=A⋅ f n[

W

Hz⋅m2]

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dove la costante A si ricava tenendo conto che S(1 GHz)=2723 Jy con indice spettrale n=-0.77 (epoca1986). Effettuando i calcoli e tenendo conto della diminuzione secolare del flusso si ottiene un'emissionedell'ordine di 423 Jy. Utilizzando questi dati abbiamo simulato il transito di Cassiopea A con un’antennadi 2 metri di diametro (Fig. 12). La configurazione e i parametri impostati per il sistema ricevente sonoidentici a quelli precedentemente utilizzati per la ricezione della Luna, ma è stato inserito unamplificatore IF di linea commerciale con guadagno 12 dB (componente utilizzato nelle installazioni TV-SAT per amplificare il segnale proveniente dall’LNB) inserito subito dopo l’LNB, necessario peramplificare la debole variazione di segnale dovuta al transito della radiosorgente. Il profilo dell’emissionedi CassA appare molto “diluito” per la notevole differenza fra l’ampiezza del fascio di ricezionedell’antenna e l’estensione angolare della sorgente (grafico a sinistra della Fig. 12).

Fig. 12: Simulazione teorica del transito di Cassiopea A (3C461) con un’antenna a riflettore parabolico di 2metri di diametro. E’ stato inserito un amplificatore IF di linea da 12 dB all’uscita dell’LNB (prodottocommerciale standard utilizzato negli impianti di ricezione TV-SAT) per amplificare la debole variazione disegnale dovuta alla radiosorgente.

Concludiamo il paragrafo evidenziando gli effetti di una corretta impostazione della costante diintegrazione nella misura radiometrica (Fig. 13).

Per ridurre le fluttuazioni statistiche del segnale rivelato nei radiometri, quindi migliorare lasensibilità del sistema, generalmente si utilizza un elevato valore per la costante di integrazione τ(corrispondente al parametro INTEGRATOR precedentemente descritto) quando il fenomeno da osservareè relativamente stazionario. Come mostrato nella Fig. 13, la minima variazione nella temperatura diantenna (quindi la sensibilità teorica del radiotelescopio) è inversamente proporzionale alla radicequadrata del prodotto della banda passante del ricevitore B per la costante di tempo dell’integratore.

Nell’espressione, Tsys è la temperatura di rumore complessiva del sistema ricevente e ξ è una costanteche, per i radiometri Total-Power, idealmente vale 1. In ogni processo di integrazione della misura,incrementare τ significa applicare un graduale filtraggio e “livellamento” sulle caratteristiche di variabilitàdel fenomeno osservato: sono “mascherate” le variazioni di durata inferiore a τ e si alterano (o si perdono)le informazioni sull’evoluzione temporale della grandezza studiata, essendo distorto il profilo vero dellaradiosorgente. Per una corretta registrazione di fenomeni con variazioni proprie di una certa durata èindispensabile predisporre un valore per la costante di integrazione sufficientemente minore di tale durata.

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Fig. 13: Importanza di una corretta impostazione della costante di integrazione nella misura radiometrica.

Calibrazione del radiotelescopio.

Se si desidera realizzare uno strumento di misura, occorre calibrare il radiotelescopio per ottenereall’uscita dati coerenti con una scala assoluta di densità di flusso o di temperature equivalenti di rumore diantenna. Scopo della calibrazione è stabilire una relazione fra la temperatura di antenna [K] e una dataquantità in uscita dallo strumento [count]. Tale operazione, comprensibilmente complessa e delicata, saràargomento di uno specifico articolo per quanto riguarda l’applicazione agli impianti dilettantistici: quiforniremo alcune indicazioni generali utilizzabili per tarare la scala del radiotelescopio osservandosorgenti esterne facilmente “reperibili” e minima strumentazione di supporto.

Impostando il guadagno di post-rivelazione del ricevitore in modo tale che la caratteristica ingresso-uscita sia lineare fra il livello di potenza del segnale IF applicato e il valore [count] acquisito dall’ADC(Fig. 7), è possibile calibrare il sistema misurando due differenti livelli di rumore: si osserva prima untarget “caldo” (oggetto tipicamente a temperatura ambiente come il terreno T≈290 K), poi un target“freddo” (oggetto a una temperatura molto più bassa come, ad esempio, il cielo libero da radiosorgenti)tarando direttamente in gradi K la temperatura di antenna. In pratica:

• Target “FREDDO”: si orienta l’antenna verso il cielo chiaro (modello standard dell’atmosfera).La temperatura di brillanza T2 del cielo freddo (dell'ordine di 6 K) può essere facilmente calcolataalla frequenza di 11.2 GHz utilizzando il grafico di Fig. 1, essendo abbastanza indisturbatadall’atmosfera.

• Target “CALDO”: si punta l’antenna del radiometro verso un'ampia muratura (come, ad esempo,la parete di un fabbricato), abbastanza grande da coprire tutto il campo di vista dell'antenna.Ipotizzando un'emissività del 90% del materiale e conoscendo la temperatura fisica del target, si

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può stimare una temperatura di brillanza T1 pari a circa il 90% della corrispondente temperaturafisica.

Se le risposte dello strumento (espresse in unità count di misura dell’ADC) quando esso “vede” oggettiposti a differenti temperature T1 e T2 sono, rispettivamente:

count1 quando lo strumento “vede”T1 (target “CALDO”);count2 quando lo strumento “vede”T2 (target “FREDDO”);

si esprime la generica temperatura di antenna Ta in funzione della corrispondente risposta count come:

T a=T 1+count−count1

count 1−count 2

⋅(T 1−T 2) [ K ]

L’accuratezza della scala dipende dall'accuratezza nel determinare le temperature di brillanza dei target“caldo” e “freddo”: le stime suggerite sono largamente approssimate e sono utilizzabili solo per avereun'idea circa l'ampiezza della scala di misura. Rimandiamo a successivi approfondimenti la delicataquestione della calibrazione dei radiometri a microonde. Il procedimento indicato è, comunque, semprevalido quando lo strumento opera in una regione lineare della sua caratteristica ingresso-uscita (Fig. 7).

Installazione del radiotelescopio.

Compreso il funzionamento di RAL10AP è molto semplice costruire un radiotelescopio. Conriferimento allo schema a blocchi di Fig. 4, elenchiamo i componenti necessari:

• Antenna a riflettore parabolico per TV-SAT 10-12 GHz (circolare simmetrica o di tipo offset)completa di supporti meccanici per l’installazione e l'orientamento (si può utilizzare RAL230ANT,antenna con riflettore parabolico circolare in rete da 2.3 metri di diametro).

• Unità esterna LNB con illuminatore adatto all’antenna utilizzata (ottimo il nostro RAL10_LNB).• Cavo coassiale da 75 Ω per TV-SAT di buona qualità intestato con connettori di tipo F.• Amplificatore IF di linea con guadagno da 10 a 15 dB (non sempre necessario).• RAL10AP (fornito nella confezione).• Alimentatore stabilizzato esterno da 12 VDC – 2 A (disponibile su richiesta).• Cavo USB standard con connettori di tipo A e di tipo B (fornito nella confezione).• Computer per l’acquisizione delle misure e per il controllo dello strumento.• Software DataMicroRAL10 (fornito nella confezione).• Foglio di calcolo EXCEL (con macro) ImportaDati_DataMicroRAL10 per importare i file

registrati dal software DataMicroRAL10 e visualizzarli in forma grafica (fornito nellaconfezione).

Le parti evidenziate in neretto sono incluse nella confezione.Se si desidera monitorare il segnale rivelato in banda audio sarà necessario collegare l'uscita BF-OUT

(Fig. 6) all'ingresso LINE o MIC di una scheda audio di acquisizione per PC e lanciare un adattoprogramma di visualizzazione degli spettrogrammi (Fig. 9).

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ATTENZIONE: effettuare i collegamenti fra l’unità esterna LNB e il ricevitore RAL10AP con lostrumento spento e il cavo di alimentazione non collegato. Prima di alimentare RAL10APverificare l’assenza di corto-circuiti fra la calza esterna del cavo coassiale e il conduttore interno.Un fusibile, accessibile sul pannello frontale (con interruzione segnalata a led), protegge lostrumento da accidentali corto-circuiti.Sul pannello frontale sono presenti due porta-fusibili di protezioni delle alimentazioni (generale e perl'unità esterna LNB) con segnalazione a led dell'interruzione: quando la corrispondente spia è spenta,significa che il fusibile è guasto e deve essere sostituito (Fig. 6).

Il mercato della TV satellitare offre molte possibilità di scelta per l’antenna, l’illuminatore e l’LNB: losperimentatore deciderà in base alle disponibilità economiche e di spazio. Sono reperibili antennecircolari simmetriche o di tipo offset, tutte adatte alla nostra applicazione. Importante, per garanzia difunzionamento, è utilizzare kit che comprendono, in un’unica confezione, LNB con feed e supportiaccoppiati con la specifica antenna, assicurando una corretta “illuminazione” e una messa a fuocoottimale per quel tipo di riflettore. Questi prodotti sono facilmente reperibili in qualsiasi supermercatodell’elettronica di consumo o presso i migliori installatori di impianti TV-SAT. Utilizzando un po’ difantasia e di abilità costruttiva è possibile realizzare sistemi di puntamento automatico, almeno perantenne non troppo grandi, attingendo al mercato delle attrezzature per radioamatori, dell’elettronicasurplus o utilizzando montature equatoriali comunemente utilizzate dagli astrofili per le osservazioniastronomiche ottiche. Esistono molti esempi di interessanti e ingegnose realizzazioni sul web. Molto utiliper il corretto puntamento e per pianificare sessioni osservative sono i programmi di mappatura dellavolta celeste che riproducono, in qualsiasi località, data e ora l’esatta posizione e i movimenti deglioggetti celesti con notevole dettaglio e precisione.

Come precedentemente accennato, sono utilizzabili praticamente tutte le unità LNB esistenti incommercio per TV-SAT a 10-12 GHz con l'uscita a frequenza intermedia 950-2150 MHz. Nei modernidispositivi è possibile gestire il cambio di polarizzazione (orizzontale o verticale) con un salto di tensione,tipicamente 12.75 V - 17,25 V: RAL10AP consente tale funzionalità tramite apposito comando, comedescritto nel protocollo di comunicazione. Un cavo coassiale TV-SAT da 75 Ω di opportuna lunghezza,terminato con connettori F, collegherà l’uscita RF-IF dell’unità esterna LNB con l’ingresso del moduloradiometrico. Si raccomanda di scegliere cavi della migliore qualità, a bassa perdita: RadioAstroLab puòfornire cavi intestati di qualsiasi lunghezza, previa ordinazione. In alcuni casi, quando si osservanoradiosorgenti di debole intensità o quando la linea coassiale è molto lunga, può essere necessario inserireun amplificatore IF di linea (da 10 a 15 dB di guadagno) fra l’LNB e RAL10AP.

Dopo aver installato l’antenna, l’unità esterna LNB sul fuoco del riflettore parabolico e collegato ilcavo coassiale di discesa all’unità RAL10AP, si connette il cavo USB al computer di stazione sul quale èstato preventivamente istallato il software di acquisizione. La stazione ricevente è ora operativa, prontaper registrare osservazioni non presidiate dall’operatore con acquisizione automatica dei dati.

ATTENZIONE: la corretta focalizzazione dell'unità esterna LNB (con feed) si verifica muovendoavanti-indietro il dispositivo lungo l’asse dell’antenna fino ad ottenere il massimo segnaleproveniente da un'intensa radiosorgente come, ad esempio, il Sole.

Ottimizzazione delle prestazioni.

Prima di iniziare un'osservazione radioastronomica consigliamo di osservare le seguenti regole:

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• Alimentare il ricevitore e attendere che lo strumento abbia raggiunto la stabilità termica. Leinstabilità del sistema sono causate principalmente da variazioni di temperatura: prima di iniziarequalsiasi osservazione radioastronomica è indispensabile attendere almeno un’ora dopol’accensione dello strumento per consentire il raggiungimento della temperatura operativa aregime dei circuiti elettronici. Tale condizione è verificabile osservando una stabilità a lungotermine del segnale radiometrico quando l’antenna punta una regione di cielo “fredda” (assenza diradiosorgenti): appaiono minime le fluttuazioni visualizzate dalla traccia grafica sul programmaDataMicroRAL10.

• Impostazione iniziale del fattore di amplificazione GAIN su valori intermedi (tipicamenteGAIN=7). Ogni installazione sarà caratterizzata da differenti prestazioni, non essendo prevedibilia priori le caratteristiche dei componenti scelti dagli utilizzatori. Conviene aggiustare il guadagnoiniziando con valori minimi di prova (per evitare saturazioni), ottimizzando con successive eripetute scansioni della stessa regione di cielo. Per osservare il Sole è consigliabile impostareGAIN=7, per osservare la Luna conviene partire con GAIN=10. Si ricorda come tali impostazionisiano molto influenzate dalle dimensioni dell’antenna e dalle caratteristiche dell’LNB.

• Trovati gli appropriati valori per il fattore di amplificazione, si aggiusta la costante diintegrazione INTEGRATOR per stabilizzare la misura. Il sistema è inizialmente impostato conuna costante di integrazione breve (A), corrispondente a una costante di tempo pari a circa 0.1secondi. Tale valore (media mobile sul segnale radiometrico utilizzando pochi campioni) ègeneralmente opportuno nella maggior parte dei casi. E’ possibile migliorare la sensibilità dellamisura, al prezzo di una risposta del sistema più lenta e in ritardo rispetto alle variazioni disegnale, adottando una costante di tempo maggiore. Si consiglia di impostare il valore A durante lafase iniziale di calibrazione del sistema, successivamente incrementare la costante di tempodurante l'osservazione di radiosorgenti caratterizzate da emissioni relativamente stazionarie.Quando si registrano fenomeni rapidamente variabili o di carattere transitorio (come, ad esempio,le eruzioni solari a microonde) sarà opportuno selezionare la costante di tempo minima.Impostando opportunamente il parametro SAMPLING dal software DataMicroRAL10 si realizzauna integrazione supplementare sul segnale radiometrico.

• Impostazione del parametro BASE_REF che stabilisce il livello di riferimento (offset) dellalinea di base radiometrica. Anche per questo parametro sono valide le precedenti considerazioni,dato che la sua corretta impostazione dipende dall'amplificazione del ricevitore. Come regolagenerale, BASE_REF dovrebbe essere scelto in modo che il minimo livello del segnalecorrisponda al “cielo freddo” (riferimento ideale), in condizioni di atmosfera chiara, quandol’antenna “vede” una regione di cielo priva di radiosorgenti: un incremento rispetto al riferimentosarebbe rappresentativo di uno scenario caratterizzato da temperatura superiore (radiosorgente).La posizione della linea di base sulla scala di misura è funzione del guadagno GAIN e delvalore impostato per BASE_REF. Se, a causa delle derive interne, il segnale è localizzatoall’esterno della scala di misura (inizio-scala o fondo-scala) è necessario modificare il valoreBASE_REF o attivare la calibrazione automatica (comando CAL) per posizionarecorrettamente la traccia.

• Se si utilizzano adatti LNB, è possibile modificare la polarizzazione per lo studio di radiosorgenticon emissione dove predomina una componente polarizzata. Nella maggior parte delleosservazioni accessibili a livello amatoriale le radiosorgenti emettono con polarizzazione casuale:in questi casi la modifica della polarizzazione in ricezione può essere utile per minimizzare lapossibilità di interferenze con segnali di origine artificiale.

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• Ottimizzazione dell’installazione del feed di antenna. Acquistando prodotti commerciali perTV-SAT è generalmente fissa la posizione del feed lungo la linea focale dell’antenna. Se fossemeccanicamente possibile e si desidera migliorare le prestazioni del radiotelescopio, convieneorientare l’antenna in direzione di una radiosorgente campione (come il Sole o la Luna) e variareavanti-indietro la posizione del feed lungo l’asse della parabola in modo da registrare un segnaledi massima intensità. Misure ripetute aiutano a ridurre gli errori.

La corretta impostazione dei parametri del ricevitore richiede alcune osservazioni di prova prima diavviare la vera e propria sessione di lavoro. Tale procedura, normalmente adottata anche dai radio-osservatori professionali, consente di “tarare” il sistema in modo che la sua risposta e il fattore di scalasiano adeguati per registrare senza errori il fenomeno osservato. Se correttamente eseguita, questaimpostazione iniziale (necessaria soprattutto quando si prevedono lunghi periodi di osservazione)aggiusterà il guadagno e l’offset della scala per una corretta misura, scongiurando rischi di saturazioni odi azzeramenti del segnale con conseguente perdita di informazione.

Terminata la procedura di calibrazione iniziale, sarà possibile salvare le impostazioni del radiometroutilizzando il pulsante MEM (comando=15) del software DataMicroRAL10.

Le prestazioni di RAL10AP sono influenzate dalla temperatura ambiente: è consigliabileeffettuare le impostazioni almeno dopo un’ora dall’accensione, quando i circuiti elettronici internisi sono stabilizzati alla temperatura operativa.

Il fattore principale che limita la stabilità della risposta radiometrica è l’escursione termica dell’unitàesterna LNB: queste variazioni di temperatura provocano minime variazioni nel guadagno del front-endsufficienti, tuttavia, a causare significative fluttuazioni nel livello di riferimento, data la notevoleamplificazione del ricevitore. Si ottengono le migliori prestazioni dal radiotelescopio quando ètermicamente stabilizzato il ricevitore. Tale condizione è determinante per la qualità delle misure. Perquesto motivo abbiamo sviluppato l'unità esterna RAL10_LNB, equipaggiata con un regolatoreautomatico della temperatura interna. Il dispositivo è disponibile su richiesta.

Il fattore principale che influenza la risposta del ricevitore è il guadagno gain. Dato che lo strumentoamplifica anche il rumore interno del ricevitore (Total-Power), il corretto posizionamento dello “zero” diriferimento sulla scala di misura è assicurato dalla calibrazione della linea di base che aggiusta il valorevrif in modo da riportare la risposta in prossimità del centro della scala quando l’antenna “vede” unaregione di cielo libera da radiosorgenti. Durante le osservazioni è necessario verificare che la rispostadel radiometro si mantenga entro la scala di misura nonostante le derive dovute alla temperatura:ripetute correzioni, impostando il comando di calibrazione automatica o variando puntualmente illivello di riferimento della linea di base, risolveranno il problema fino al raggiungimento dellastabilità del sistema.

La più semplice osservazione radioastronomica comporta l’orientamento dell’antenna verso sud e ilsuo posizionamento a un’elevazione tale da intercettare una specifica radiosorgente durante il suo transitoal meridiano, cioè il passaggio apparente della sorgente per il meridiano locale (quello che contiene i polie il punto di installazione del radiotelescopio). Il nostro strumento, generalmente caratterizzato da unfascio di antenna ampio qualche grado, ci “perdona” una scarsa conoscenza della posizione delleradiosorgenti: è quindi accettabile una precisione nel puntamento molto inferiore a quella utilizzata nelleosservazioni ottiche. Impostando nel programma di acquisizione un tasso di campionamento tale daottenere una schermata ogni 24 ore (scelta del parametro SAMPLING nel programma DataMicroRAL10),si può verificare se, nel corso della giornata, l’antenna intercetta le radiosorgenti desiderate e se i valoriscelti per i parametri (guadagno e livello della linea di base) sono adeguati per l’osservazione. Potrebbe

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capitare di dover aumentare GAIN per amplificare la traccia, oppure modificare il livello della linea dibase BASE_REF per evitare che, in qualche punto sul grafico, il segnale si porti fuori scala. Terminata laprocedura di messa a punto si possono avviare lunghe sessioni di registrazione automatica non presidiateda operatore.

Fig. 14: Possibilità operative del radiotelescopio costruito con RAL10AP.

L’unità di flusso Jy (in onore di K. Jansky) è 10-26 W/(m2∙Hz), misura che quantifica le proprietà emissive delleradiosorgenti. Sono mostrate le principali radiosorgenti accessibili al nostro radiotelescopio quando èequipaggiato con un’antenna di dimensioni sufficientemente grandi.

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Fig. 18: Esempio di registrazioni del transito solare.

Fig. 19: Registrazione di un transito lunare. La radiazione termica della Luna è ben visibile: la sua emissione èconseguenza del fatto che l’oggetto emette approssimativamente come un corpo nero con una temperaturadell’ordine di 300 K. Se nel visibile l’emissione della Luna è quasi esclusivamente dovuta alla luce riflessa delSole, a 11.2 GHz si registra un’emissione dovuta alla temperatura propria dell’oggetto, che contrasta con quelladel cielo “freddo”.

Si possono immaginare interessanti esperimenti per verificare la sensibilità del nostro sistemaricevente, come quello di puntare l’LNB verso le lampade fluorescenti: tali componenti emettono unsignificativo ammontare di radiazione a microonde facilmente misurabile (secondo differenti meccanismiemissivi, alcuni dei quali non semplicemente correlati con la temperatura fisica della sorgente).

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Alimentando e spegnendo la lampada si registra un’apprezzabile variazione del segnale ricevuto,proporzionale all’intensità e alla dimensione angolare della sorgente.

La Fig. 14 e la tabella seguente riportano le radiosorgenti ricevibili con il nostro radiotelescopio, nondimenticando come, le più deboli fra queste, siano osservabili solo utilizzando antenne sufficientementegrandi come, ad esempio, RAL230ANT. Sono anche riportate le registrazioni di alcune osservazioni diprova.

Fig. 20: Transito della radiosorgente TaurusA.

Riferimenti Bibliografici

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• J. D. Kraus, “RADIO ASTRONOMY”, 2nd Edition, 1988, Cygnus-Quasar Books.• R. H. Dicke, “THE MEASUREMENT OF THERMAL RADIATION AT MICROWAVES FREQUENCIES.”, 1946 –

The Review of Scientific Instruments, N. 7 – Vol. 17.• F. Falcinelli, “RADIOASTRONOMIA AMATORIALE.”, 2003 – Ed. Il Rostro (Segrate, MI).• F. Falcinelli, “TECNICHE RADIOASTRONOMICHE.”, 2005 – Ed. Sandit (Albino, BG).

Doc. Vers. 1.1 del 19.03.2015@ 2015 RadioAstroLab

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