Báo cáo T5/2015 : Cải thiện độ ổn định nhiệt và thêm chức năng quét và thu dữ liệu tự động.

Nhóm VNRT SG tiếp tục thử nghiệm, nâng cao tính ổn định của kính VNRT.

1- Lắp thêm tản nhiệt (heatsink) và quạt cho Rtl 2832 USB.
Mục đính : Nâng cao tính ổn định của tín hiệu thu, 
TL tham khảo  www.y1pwe.co.uk/RAProgs/FrequencyStabilityU.doc  về việc xử dụng heatsink và quạt giải nhiệt cho Rtl 2832 USB để tăng mức ổn định tần số .
Khi hoạt động, Rtl 2832 USB nóng lên và gain giảm khá rõ. Mức suy giảm tùy thuộc vào thời gian và chế độ hoạt động của nó.
Do không có máy phát tần số chuẩn, nhóm chỉ đánh giá mức ổn định nhiệt qua tỉ số công suất giữa 2 lần thu sóng với số mẫu (thời gian thu) khác nhau và kết quả đo nhiệt trực tiếp trên 2 IC Tuner và DSP của Rtl 2832 USB.
Kết quả đo nhiệt độ bằng infrared thermometer gauge ThermoTrace
- Nhiệt độ môi trường 32oC.
Không giải nhiệt :
- Chạy chương trình SDR# liên tục vài phút : R820T  tuner IC = 42 °; RTL2832 = 41oC.
- Chạy chương trình rtl.exe với 20e6 mẫu (9.6sec) : R820T  tuner IC = 42 ° ; RTL2832 = 48 ° C
- Chạy chương trình rtl.exe với 200e6 mẫu (96sec) : R820T  tuner IC = 46 ° ; RTL2832 = 58 ° C ( Không ngờ IC này có thể nóng đến vậy !!!!)
Tỉ số công suất P20 / P200 là 1.5.
Giải nhiệt bằng heatsink + quạt thổi trực tiếp : Nhiệt độ đo được trên heatsink (IC bị che mất, không đo trực tiếp được) của cả 2 IC tuần tự là 34 và 36oC.
Tỉ số công suất P20 / P200 là 1.05,
Thời gian chờ ổn định nhiệt (mức công suất thu được ổn định) giảm từ 15min xuống còn khoảng 2min.

Chuẩn lại tần số Rtl 2832 USB bằng chương trình SDRScanner, kết quả độ lệch tần số là 23.6ppm, giảm đi khá nhiều so với kết quả trước đây là 49.7ppm.

Như vậy, giải nhiệt cưỡng bức cho RTL2832 USB đã ổn định được cả độ lệch tần số và độ lợi của nó. 

RTL2832 USB với giải nhiệt nhôm.

Lắp trong bộ thu vỏ nhôm với quạt giải nhiệt thổi trực tiếp vào RTL2832 USB

2- Viết thêm các tính năng cho CT VNRT control :
- Subtract tự động tín hiệu Ref (chọn trước) và  cho phép hiển thị ngay phổ HI thu được trên khung Chart2 trong giao diện. Khung Chart1 vẫn hiển thị data raw.
- Cho phép quét và thu data tự động theo 2 chế độ : quét mảng hay theo đường thẳng lb và quét khung vuông từ trong ra ngoài.  Với 2 chế độ quét này, kính có thể thu dữ liệu tự động để vẽ bản đồ HI bầu trời.
Có thể sẽ bổ sung thêm tính năng tính tổng công suất P để tiện theo dõi và so sánh.

Ảnh đính kèm là  biểu đồ surface (vẽ bằng Exxel) cường độ sóng 1420GHz tại vùng chứa Mặt trời lúc 15h40-16h20 ngày 24/05/2015.
Kính quét theo chế độ Square Scan, tâm l175o_b-21o, bước quét 2o.
Chỉ thu được 61 điểm quanh vùng này, do mặt trời đã xuống thấp đến giới hạn độ cao Alt của kính (25o). Data tại 3 điểm l169-173o, b-29o được chọn bằng cách ngoại suy.
Ảnh đã được xoay 45o để thể hiện đúng Azm theo chiều ngang và Alt là chiều đứng.
Ảnh chỉ có 64pixel, độ phân giải 2o.
Có lẽ lần sau, nên đo vào buổi sáng và bước quét  giảm còn 1o để có độ phân giải tốt hơn.
Cũng cần phải viết 1 chương trình nhỏ  xử lý dữ liệu tự động để giảm bớt thời gian và khả năng nhầm lẫn khi xữ lý bằng tay.

3- Đo phổ HI trong khoảng Gl 160-250o : Do đo trễ và nhiễu khá mạnh (vào lúc đó và không rõ nguyên nhân)) tại phía Tây và Tây-Bắc nên chỉ có phổ trong khoảng 225-250o là khá tốt, có thể dùng để so sánh với kết quả các lần đo trước.
KQ sẽ được báo cáo sau. 

01/05/2015 Xác định beamwidth, Aperture efficiency kính VNRT

Sáng ngày 1/5, nhóm VNRT SG đã tiếp tục đo kiểm các thông số của kính VNRT.
- Đo bức xạ phổ liên tục của mặt trời trong dải 1419-1421MHz để xác định beamwidth, hiệu suất thu sóng và Tsys của kính.
- Đo lại phổ HI tại vùng S7.

A. Thông số antenna.

1/ Độ rộng búp sóng (Beamwidth.)
Phương pháp xác định beamwidth của kính là quét ngang mặt trời và đo tổng công suất tại từng điểm trên đường quét.
Phương pháp này không chính xác bằng drift scan vì ảnh hưởng nhiễu nền sẽ khác nhau, nhưng giảm thời gian đo tức là giảm sai lệch do tăng nhiệt.
Thời gian đo từ 10h36' đến 10h45'. (nếu quét kiểu drift scan phải mất 1h10'). Mặt trời đã lên gần thiên đỉnh, ảnh hưởng sai lệch nhiễu nền có thể bỏ qua.
Xác định tọa độ mặt trời bằng cách xoay chỉnh kính cho đến khi bóng của feed rơi đúng vào tâm chảo thu.
Tọa độ kính lúc này là Ra2h15' dec15o.
Cố định Ra, Dec thay đổi từ 25->5o, bước 1o, thu sóng trong dải 1419-1421MHz, thời gian thu khoảng 9.6sec trên  mỗi điểm.

 

Hình 1 và 2 là kết quả tại các điểm thu. Có thể thấy sóng HI từ dải Ngân hà trong khoảng dec 16-25 vì vùng này chỉ cách mặt phẳng Ngân hà khoảng 30o. Sóng này có thể gây sai lệch tổng công suất trong dải 1420-1421MHz (0-127)đôi chút , ta có thể loại bỏ bằng cách chỉ dùng số liệu trong khoảng tần số 1419-1420MHz (-127-0).

Hình 3 là kết quả tính tổng công suất theo tọa độ Dec và đường cong Gaussian fit (tính bằng Excel).
Đỉnh  đường cong gauss ở 16.6o có P (tổng công suất =468) và phương sai =3.5.
Độ rộng búp thu sóng beamwidth HPBW (Half-Power BeamWidth)  được tính từ điểm có P = 1/2 D đỉnh, có thể tính chính xác từ đường cong gauss.
Kết quả HPBW = 7.5o.
Kết quả này khá tốt nếu so với chảo thu sóng vệ tinh.

Theo wiki http://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_antenna và http://books.google.com.vn/books?id=4yJi1UQDPp8C&pg=PA80&dq=%22beamwidth%22+%22parabolic+antenna%22&hl=vi#v=onepage&q=%22beamwidth%22%20%22parabolic%20antenna%22&f=false
HPBW = k * lamda / d.
Hệ số k tùy thuộc vào hình dạng bề mặt chảo parabol. Chảo "lý tưởng" sẽ có k = 57.3, chảo vệ tinh thông dụng có k khoảng 70. 
K của chảo VNRT = 7.5 * 180 /21 = 64.3.

Một điểm nhận xét thêm : trục tâm hình học của chảo lệch so với đỉnh búp sóng khoảng 1.6o (dec 15 và dec 16.6o).
Có thể là do ngắm chuẩn tâm ban đầu không chính xác hay là hướng feed horn lắp chưa chính xác.
Sai lệch này cộng thêm vào sai lệch tọa độ của kính (+-0.5o) + sai lệch chuẩn vị trí kính sẽ làm lệch tọa độ đến khoảng +-4o.
Điều này có thể lý giải cho kết quả sai lệch dạng phổ và tốc độ khi thu sóng tại vùng S7 trước đó.
Để hiệu chuẩn chính xác, các số liệu thu được có ý nghĩa khoa học chính xác, cần phải tiến hành đo BW theo cả 2 trục Ra và dec và hiệu chuẩn theo kết quả đo.

2/ Đo lại T_sys.
Nhóm đã đo lại T_sys để có thông số chính xác tính hiệu suất thu sóng.

Hình 4

Psky : phổ thu được ở tọa độ Gl 250 b -80 xem như tín hiệu nền.
P_cal : xoay kính vào tường (cao 1.5m), hạ thấp Alt hết mức 25.5o, che feed bằng ván ép 18mm.
Có thể thấy vẫn còn sóng HI trên phổ, nhưng có thể xem mức nền công suất thu được ứng với nhiệt độ Tsource khoảng 300oK.
Bỏ qua dải 1420-1421 (có sóng HI)
Y = P_cal/P_sky = (Tsource + Tsys) / (Tsky + Tsys) = 2.45.
Tsys = Tsource / (Y-1)  = 207oK.
Giá trị này tốt hơn lần đo trước (230oK)
Hiệu số công suất  P_cal - P_sky = 320 - 129 = 191 (dùng để tính cho mục 3)

3/ Hiệu suất thu sóng (Aperture efficiency)
Phương pháp tính dựa theo trang http://astro.u-strasbg.fr/~koppen/Haystack/system.html  của J Koppen.
Theo hình 3,  công suất đỉnh P_sun = Pon là 468, và mức thấp nhất Psky = Poff =157
có thể  tính Y Factor = Pon / Poff = 468 /157 = 2.98
Hiệu số công suất  P_sun - P_sky = 311
Nhiệt độ mặt trời do anten thu được là
T_ant(Sun) = (P_sun-P_sky)/(P_cal-P_sky)*T_cal = 311 / 191 * 300 = 488oK.
Psun = 2760 T_ant(Sun) = 1347000    Jy m² = 134.7 SFU m² (solar flux units) 
Chảo 1.8m có tiết diện 2.54 m²
Thông lượng chảo nhận được là 134.7 / 2.54 = 53 SFU.
Theo số liệu  từ NOAA ftp://ftp.swpc.noaa.gov/pub/lists/radio/ thông lượng mặt trời ngày 1/5/2015 là 80SFU.
Hiệu suất thu sóng của kính là  e = 53/80 = 0.66.
Hiệu suất này còn tốt hơn số liệu của kính Haystack (0.6) ở Strassbourg.

4/ Độ lợi của chảo thu Gain ở bước sóng 21cm.
G = Pi² d² e / lamda² = 479 = 26.8 dBi .


B. Đo phổ vùng S7 và tính nhiệt độ tuyệt đối.

1/ Ghi phổ HI.
Để tránh sai số về tọa độ kính, nhóm đã thu 1 loạt 5 phổ tại quanh vùng S7 Gl132 Gb -1. 

Hình 5

 

Hình 7

Vị trí chính xác của S7 được cho là điểm có tín hiệu mạnh nhất theo tọa độ kính là Gl132 3.
Tín hiệu tại đây khá phù hợp về hình dạng và vận tốc với phổ giả lập Hình 6 và 7.

2/Chuyển đổi giá trị hệ số công suất ra độ tuyệt đối.

Các phổ HI thu được, đều được trích xuất từ P_data / P_Ref.
Việc dùng P_Ref (phổ ghi được với feed horn bịt kín bằng giấy nhôm ) nhằm lấy được base line phẳng đều trên toàn phổ là tiện lợi hơn dùng P_sky  ( xoay kính mất nhiều thời gian) và P_cal (không lọc hết sóng HI).
Nhưng việc chuyển ra nhiệt độ tuyệt đối oK cần qua bước trung gian, tính tỉ số P_cal/P_Ref 

Hình 8 tỉ số P_cal/P_Ref

Do có sóng HI ở vùng 0-127, ta chỉ tính trung bình các giá trị tỉ số trong khoảng -127->0.
 ==> P_cal/P_Ref= 1.205

Data trên Hình 7 sẽ được chuyển về độ K bằng cách :
- Chia cho tỉ số P_cal/P_Ref  để quy chuẩn về P_cal.
- Trừ mức nền về 0 để có hệ số Y = P_source / P_cal.
- Đổi sang độ K bằng công thức từ mục A.1/
T_source = (Y-1) * T_cal . (T_cal = 300oK)

Hình 9 là kết quả chuyển đổi.
Kết quả này có vẻ phù hợp với phổ giả lập từ trang https://www.astro.uni-bonn.de/hisurvey/euhou/LABprofile/index.php hình 10. 
Nhiệt độ đỉnh cao nhất khoảng 48oK.

File HI 20150501 chứa toàn bộ số liệu và cách tính trong bản report này.

Kết luận :
- VNRT HAAC đã calib xong, chất lượng khá tốt so với  Small Radio Telescope (SRT)
developed at Haystack Observatory (Development of a New Generation Small Radio Telescope
REU Summer 2012 Report Dustin Johnson_Dalhousie University Alan Rogers_Haystack Observatory),
 các kết quả thu được có ý nghĩa KH.
Điểm yếu :
- Hệ thống đôi lúc không ổn định, có lẽ do các cáp tín hiệu và điều khiển không tốt.
- Kính vẫn chưa có chỗ cố định nên chưa thể calib chính xác vị trí và hướng kính. Sai số tọa độ có thể lên đến +-4o.
- Việc hiệu chuẩn phức tạp,khó thực hiện ngay trong ca làm việc. Có lẽ nên dùng nguồn phát sóng chuẩn để đơn giản hóa việc thu và xử lý dữ liệu. ( tiếp tục nghiên cứu thêm việc dùng zene_ noise diode).

Arduino radio telescope control.

Sơ đồ mạch điều khiển mount của kính VNRT.

Mạch xử dụng motor DC và biến trở tuyến tính để phản hồi tọa độ của kính. Kết cấu này khá thông dụng trong các hệ điều khiển hướng antenna.
Ý tưởng lấy từ Radio artisan group http://blog.radioartisan.com/yaesu-rotator-computer-serial-interface/  và Hipparchus project https://code.google.com/p/hipparchus/
Việc dùng biến trở tuyến tính cần có bộ truyền động giảm hay tăng, cũng có thể gây khó khăn cho việc SX. Có thể viết lại code để có thể dùng encoder hay kit compass thay cho biến trở. 
1/ Arduino Uno là thành phần chính của mạch.http://hshop.vn/mach-arduino/board-arduino/arduino-uno  Việc xử dụng Arduino là để thuận tiện cho người muốn tự lắp.
Nếu sản xuất hàng loạt, có thể dùng trực tiếp AVR hay Pic sẽ rẻ hơn khá nhiều.
2/ Mạch driver L298 cũng là kit ráp sẵn, http://hshop.vn/module/module-dieu-khien-dong-co/l298-lotorlontrol-board  điều khiển trực tiếp 2 motor DC cho 2 trục Azm và Alt (Elv)
Nếu dùng motor bước, có thể dùng kit  A4988 http://hshop.vn/module/module-dieu-khien-dong-co/A4988-driver-a4988-arduino-GY4988-motor-driver   . Dùng motor bước thì có thể không cần dùng encoder hay biến trở báo vị trí, nhưng lúc đó nếu có sự cố phần truyền động (kẹt, nặng tải...) tọa độ sẽ bị sai.
3/ Giao tiếp giữa máy tính và mạch thông qua cổng Com-USB ngay trên board Arduino.
Nếu dùng vi điều khiển AVR hay Pic, cần có thêm mạch RS232-USB.
Có lẽ cũng cần thử nghiệm giao tiếp qua Bluetooth với kit HC-05 http://hshop.vn/bluetooth-HC-05-breakout để không phải kéo dây quá dài từ máy tính đến mạch điều khiển.
Giao tiếp bluetooth cũng thuận tiện hơn nếu ta muốn điều khiển kính qua android.

Tính năng cơ bản :
- Màn hình LCD hiển thị tọa độ Azm-Alt hiện tại.
- 4 nút nhấn Azm+, Azm-, Alt+, Alt- cho phép điều khiển trực tiếp kính bằng tay.
- Giao tiếp PC qua cổng USB-RS232 ngay trên mạch :  báo tọa độ và nhận lệnh điều khiển từ PC. 

Mạch điện thử nghiệm.

Nhóm VNRT SG tiền hành đo để căn chỉnh kính ngày 19/04/2015

Chào mọi người,

Chiều 19/4/2015, nhóm VNRT SG đã tiến hành đo một loạt phổ để thu các thông số cho việc căn chỉnh kính VNRT.

Kế hoạch :

• Đo T_Cold sky và T_300K để xác định T_sys. Việc này cần thử nghiệm 1 vài loại vật liệu hấp thụ sóng VT.
• Ghi phổ tại 2 vùng chuẩn S7 và S8 để so sánh kết quả với các kính radio cùng loại khác.
• Đo scan drift mặt trời để xác định Effective beamsize FWHM của kính và hiệu suất thu sóng của chảo.

Nhưng do không đủ thời gian, mặt trời xuống quá thấp, không kịp làm phần 3.

1. Việc đo T300K có thể được tiến hành theo 3 cách :

• Tách ngõ vào LNA ra khỏi feed, nối 1 điện trở 50 Ohm vào thay cho antenna.
• Xoay kính hướng về 1 vật thể lớn ( tường của 1 tòa nhà đủn lớn) để thu sóng bức xạ 300K từ nó. 
• Che miệng feed horn bằng vật liệu hấp thu sóng. (radar absorption material).

      Cách 1 không làm được vì LNA đã gắn cố định vào feed horn, tháo lắp rất khó.
      Cách 2 cũng không vì kính VNRT không thể quay xuống thấp hơn 20 độ và xung quanh không có         nhà nào đủ lớn (chắn toàn bộ búp sóng chính của chảo).

Nhóm đã tuần tự dùng thử 2 loại vật liệu : ván ép dày 18mm và nệm mút xốp dày 100mm.
Kết quả dùng ván ép có vẻ tốt. 
Nệm mút xốp hầu như không có tác dụng.

screnshot lúc đang thu tuần tự 3 phổ cùng 1 vị trí Gl 209o Gb 45o. Vùng này sóng HI rất nhỏ, xem như là cold sky.  Phổ thu được khi che ván ép có biên độ tăng rõ rệt so với cold sky và che bằng giấy nhôm.  Cách tính theo tài liệu tại đây

Kết quả : Y-Factor = 2.20 và Tsys khoảng 230K.
Kết quả này hơi kém hơn một chút so với kết quả thử nghiệm kính  Small Radio Telescope (SRT) 
developed at Haystack Observatory trong tài liệu trên, ( theo các bài viết  của Koeepen Joachim thực tế xử dụng, Tsys thay đổi rất lớn 180-> hơn 1000K tùy theo mức nhiễu nền .)

Cần tiến hành thử nghiệm nhiều hơn về vật liệu hấp thụ sóng VT để có kết quả chính xác và tốt hơn.
Ông Peter đề nghị thay đổi bề dày ván ép, nhúng ướt ván và phủ bột than lên nó để tăng khả năng hấp thụ.

      2. Phổ tại S7 và S8.
Phổ tại S7 có sự khác biệt khá lớn về dạng phổ và cả tốc độ. 
Khi đo tại S7, độ cao Alt khá thấp , chỉ có 24 độ, phổ bị nhiễu và cũng có khả năng bị phản xạ sóng từ các nhà cao xung quanh. Không biết điều này có làm ảnh hưởng đến dạng sóng.

Phổ tại S7 của VNRT

Phổ tại S7 của "HI Profile Search" 

Phổ tại S8 dạng sóng rất tốt, chỉ có vận tốc sai lệch khoảng 6Km/sec so với kết quả giả lập từ trang HI Profile Search 

Phổ tại S8 của VNRT 

Phổ tại S8 của "HI profile search"

Độ lệch tần của RTL USB, nhóm lấy từ kết quả so tần với sóng FM 99.9MHz cách đây hơn 1 tháng là 47ppm. Không biết có thay đổi gì không. Lần đo này bắt đầu vào 2h chiều, nắng gắt và nhiệt độ khá cao.

Phổ tại S7 thì có sự khác biệt khá lớn về dạng phổ và cả tốc độ. 
KHi đo tại S7, độ cao Alt khá thấp , chỉ có 24 độ, phổ bị nhiễu và cũng có khả năng bị phản xạ sóng từ các nhà cao xung quanh. Không biết điều này có làm ảnh hưởng đến dạng sóng.

Mong mọi người góp ý cho lần căn chỉnh kính sắp tới !

Lê Quang Thủy

Họp mặt TV VNRT SG 2/4/2015

Họp mặt thành viên nhóm VNRT SG.
Nhóm có 5 thành viên, có mặt 4, lên hình chỉ có 3.

Giao diện chương trình điều khiển kính và thu thập dữ liệu.

Nhìn chung, toàn bộ hệ thống kính đã hoạt động tốt.
Cần thêm tính năng điều khiển từ xa qua cable hay qua mạng.:
- Dùng Rasberry (hay máy tính mini có tính năng tương đương) để điều khiển kính.
- Viết CT điều khiển thông qua TCP/IP.

KQ đo ngày 15/03/2015 và bản đồ H line Ngân hà trong khoảng Gl 40-240o

Ngày 15/3/15 nhóm VNRT SG đã tiến hành 1 loạt đo thử phổ HI trong dải Gl 45-145o.
Kết quả đo rất tốt

 nhưng khi so với kết quả giả lập từ trang https://www.astro.uni-bonn.de/hisurvey/euhou/LABprofile/index.php
thì có điều khó hiểu : dạng phổ thì đúng nhưng có sự sai lệch vận tốc khá lớn .

Dường như phổ bị sai tần số.
Lần đo trước (tháng 2), tôi dùng phổ H line ở 180o để chuẩn lại tần số của USB Rtl, độ lệch tần lên đến 150ppm.
Lần này cũng dùng độ lệch đó thì các phổ đềubị lệch khá xa so với giả lập.

Hỏi thăm Mr Peter thì ông ấy cho là cần phải tính đến chuyển động tương dối của trái đất so với Ngân hà Velocity of the Local Standard of Rest và vận tốc này cũng thay đổi theo hướng quan sát.

Tính VLSR khá phức tạp, nhưng có thể dùng trang tính online http://www.jupiterspacestation.org/software/Vlsr.html

Vậy là bản đồ vẽ lần trước (Gl 155-240o), không tính đến VLSR,  là không đúng.

Sau khi chuẩn lại tần số = sóng FM 99.9MHz (độ lệch 50ppm), tính lại vận tốc Doppler - VLSDR theo từng Gl khác nhau, nhóm đã có được phổ Hl phù hợp với KQ giả lập.

Nhóm đã vẽ lại bản đồ H line MilkyWay map trong khoảng Gl 45-240o.

Các điểm tròn trên bản đồ ứng với các cực đại trên phổ.
Có thể thấy khá rõ các cánh tay xoắn ốc của Ngân hà.

Kết quả đo ngày 22/02/2015

Tối 22/02 nhóm VNRT SG đã tiến hành đo thử nghiệm :
- một loạt phổ dọc theo galactic plane để thử vẽ bản đồ Ngân hà theo http://www.y1pwe.co.uk/RAProgs/HLRrtl2U.pdf
- Thử nghiệm dùng zener diode làm nguồn tạo sóng nhiễu chuẩn thay cho cách lấy tín hiệu chuẩn bằng pp che feedhorn.

Kết quả đo dọc theo mặt phẳng Ngân hà từ longitude 155-240o.

 Tín hiệu khá tốt, nhưng nhiều điểm có xuất hiện nhiễu khá rõ. : 195-190-170-165-160.
Nhiễu không rõ nguồn xuất phát, lúc có, lúc không.