上次更新：2004年8月18日

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自己动手建立无线电流星观测台

―流星无线电观测的原理和自动记录方法简介

作者 徐辉、欧阳天晶

美丽的流星和流星雨是倍受天文爱好者喜爱的观测对象。流星是出现在地面上空80-120千米大气中的一种天象，它既与流星体本身有关，也与地球大气层有关。观测研究流星对于了解太阳系天体的运动和演化，研究地球高空大气层的物理性质都有着重要的意义。

观测流星的方法很多，除传统的目视观测、照相观测外，还有雷达观测。流星的雷达观测始于二十世纪四十年代。1946年，英国的洛弗尔首次用雷达方法观测到流星雨。天文学家通过分析研究流星余迹反射的无线电回波，可以知道流星出现的数目、距离、高度、方位、速度以及流星体的质量等有关资料。流星的雷达观测方法不受昼夜、晴雨天气的影响，这一点比目视观测和照相观测优越。因此，雷达观测逐渐成为观测流星的主要手段之一。

雷达观测作为专业天文工作者观测流星的方法 ，它所需的设备是一般爱好者无法具备的。目前世界各地的天文爱好者所用的无线电观测方法与雷达观测的原理相同，只不过设备要简单得多。一种是利用小功率无线电收、发设备，采用类似流星余迹通信方式进行流星的观测；另一种方法更为简单，直接利用调频广播电台发出的无线电电波，用收音机或专门的接收机接收调频广播信号来观测流星。我们把这种方法叫做“听”流星。用收音机“听”流星是一项成本低、趣味性强的科技活动，特别适合在我国青少年中普及开展。在国外，许多天文爱好者就是采用这种方法进行流星观测活动的，有的爱好者还自己编写软件，用计算机进行流星观测的自动记录，实现了全天24小时不间断的自动观测。

“听”流星的原理

由于超短波无线电波直线传播的特点，调频广播的传播距离受到了地球表面弯曲程度的限制，一般都在视距范围内。电离层通常不能反射超短波，所以平常我们只能收听到几十千米远的调频广播。当流星以每秒几十千米的速度闯入地球大气层，在100千米高空中流星体温度迅速升高，使周围大气分子电离，在流星经过的路径上短时间内形成一条等离子态的离子气体柱，该离子气体柱具有反射超短波信号的能力，使我们可能短暂地收听到1000千米以外平时听不到的远距离FM广播信号，如图1所示，这样我们就知道出现一颗流星了。

图1

“听”流星前的准备

1．  准备收音机

听流星的第一步是准备一台性能良好的收音机。由于经流星反射的电波信号较弱，各种干扰信号又很强，不是随便一部收音机都可以用来“听”流星的。一般选用灵敏度高、选择性好的数字调谐收音机。如欧阳天晶一直使用迪桑R-3000全波段数字调谐收音机进行流星雨的观测。汽车收音机也是非常好的一种接收设备，像二手的道奇、歌乐等。汽车收音机的抗干扰性及选择性要优于高档的数字调谐收音机。这一点在大城市尤其重要。大城市中调频电台多，信号强，若用选择性差的收音机，在许多频点上都能听到本地的强信号台的串台声，流星反射的弱信号将被淹没在干扰中，无法进行观测。

2．  制作天线

天线的制作是能否成功接收到流星信号的又一重要因素。制作的主要材料是直径为10毫米左右的铝管或铜管，把它们制成三单元或五单元八木天线。图2是三单元八木天线尺寸，具体制作方法可参考电视天线等有关资料。从天线到收音机的馈线宜用75欧或50欧的同轴电缆，接收天线应稳固地架设在楼顶等高处，引向器指向信号台方向，接收方向不应有高于5度的高楼、山峰等障碍物。天线架好后，引向器和反射器暂不固定死，打开收音机，在接收方向选一50千米外的信号较弱的调频电台，适当调整引向器、反射器与有源振子的间距，使接收的广播信号最清晰，天线增益达到最佳状态后，再将它们固定下来。

图2

3信号台的选定

由于各地的地理环境、观测条件不同，信号台确定的则重点也不大相同。总的说来，信号台的选择应满足下面几个条件：

(1) 发射台是调频（FM）广播电台；

(2) 发射台距接收点的距离在800—1600千米左右；

(3) 发射台的功率要尽可能大；（≥10千瓦）

(4) 发射台最好是全天24小时广播的；

(5)    发射台的频率应避开本地电台的频率。

如武汉的欧阳天晶、南京的徐辉都不约而同地选定95.9MHz的韩国电台做为观测流星的信号台，这一频率除符合以上几个条件外，还有一个优点就是在这个频率上韩国有三个发射台，另外在东北方向国内也有三个频率也是95.9MHz的发射台（辽宁文艺台、黑龙江人民广播电台、内蒙古新闻台）。这样收音机收到的流星信号比单一发射台的概率要大得多。国内、外调频广播电台的发射频率可到广播爱好者(http://swl.126.com)等网站上查询。

信号的鉴别和记录

用收音机“听”流星与目视观测不同，它仅凭听取收音机的声音判断是否出现了流星。流星出现时收音机可以收到信号台的广播声 ，近距离大功率广播电台、天电、各种电器的干扰也可能使收音机发出声音。这就需要我们在收听时认真比较，不断积累“听”流星的经验，逐步提高判别干扰信号和真实信号的能力。

当我们将收音机的接收频率调谐在远方的信号台上时，通常情况下是收不到广播信号的，这时只有调频收音机特有的“沙沙”的背景噪声。流星出现时，背景噪声突然消失，收音机发出短暂的广播节目声音。流星信号的显着特点就是短暂、突然，持续时间一般只有0.2至几秒。若长时间收听到啸叫声或广播声，可能是附近电台的串音或经突发E层（E_S 层）反射的信号。在收听过程中，还有可能会听到一种“白信号”，即背景噪声突然短暂地消失，收音机里没有任何声音。这也可能是流星余迹反射的一个信号 ，只不过恰好此时广播电台没有播出内容而已。

听到流星信号后，应记录下信号出现的时刻、信号持续时间、信号强度和信号内容。因流星信号短促，不易用秒表记时，持续时间可由观察者估计，信号强度可按“弱”、“中”、“强”三个档次记录。信号内容不能反映流星的信息，但可以做为区分流星信号和干扰信号的依据。“听”流星时可将以上内容记录下来。表1是一个例子：

表1：“听”流星记录表

2000年5月7日           观测时段：从19：30时至20：30时 （世界时）

  观测者：欧阳天晶          观测地点：武汉市武昌区张家湾小学

信号台频率：95.9MHz      接收机型号：迪桑R-3000   

天线类型：五单元八木天线天线    指向：东北 

 接收方法：耳听笔录    自动记录

流星信号的自动记录

流星的无线电观测给信号的自动记录，实现天文观测的自动化提供了有利条件。国外已有天文爱好者利用计算机并配合相应的软件完成流星信号的自动记录，从而实现全天24小时不间断监视天空的目的。这方面的软件在网上可以找到许多,有工作在DOS下的Meteor v8.0,它对计算机的硬件配置要求较低,只需制作一个简单的接口电路就可进行日常观测。日本的许多爱好者偏爱工作在Windows98/2000操作系统下的HROFFT，它采用的是业余频段(53.750MHz)上专门的收、发信机，不需要另外制作接口电路。下面以Meteor v8.0为例介绍流星信号自动记录装置所需设备、接口电路的制作、软件的安装及相关数据的处理。

图3是流星信号自动记录装置的工作示意图。收音机接收到短暂的调频广播电台信号后，通过接口电路，信号传输到计算机里。接口电路完成音频信号到数字信号的转换，在软件的配合下，计算机可识别噪声和流星反射的电台信号，并自动完成记数、统计等工作。

图3

1. 接收设备

接收机：数字调谐收音机或汽车收音机。

天线： 三单元或五单元八木天线。

计算机：　486或Pentium。

接口电路：流星接口电路。

软件：Meteor v8.0

2. 接口电路

接口电路的作用是将收音机输出的音频信号转换成计算机可以识别的数字信号。图4是接口电路的工作原理图。它由双运算放大器MC1458加上几只电阻、电容构成。运放的电源由计算机串行接口中的RTS、TXD提供。为防止RTS出现负脉冲，损坏集成块，在RTS与MC1458之间增加了一只二极管1N4148。音频输入信号经R1加在运放的②脚，放大整形后由①脚输出到计算机串口CTS上。由于运放的增益很高，当输入信号大于50mV时，输出已是方波信号了。

图4

    接口电路元件少,制作容易。参照图5自制一块电路板，将元件安装在电路板上。为减少干扰，从收音机到接口电路的音频输入线用屏蔽导线。电脑上的串口多数是9针插座,见图6。连接时需要购买一只9孔的DB9RA/F插头，如图7所示。要注意的是，插座、插头的每个针孔都有一个固定的编号，一般在接头的接线柱旁已标出，制作电路板时各元件要按电路图中的编号与9孔插头正确连接。音频信号线的一端插在接口电路的信号输入插座上，另一端接在收音机的喇叭输出端。

图5          图6          图7

3. Meteor v8.0的安装及使用

Meteor v8.0是法国Pierre.terrier开发的共享软件，爱好者可到他的网站http://radio.meteor.free.fr下载。软件安装的操作步骤如下：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

(1).下载：  先进入该网站的下载区域（DOWNLOAD AREA），METEOR各时期的版本在这里都可以找到。点击METEOR V8.2下载最新版本。

(2).解压缩文件：从网上下载的是一压缩文件METEORV8.ZIP，解压METEORV8.ZIP得到SETUP、FILES等5个文件。

(3).安装：  运行SETUP.EXE并按回车键，软件开始安装。当屏幕出现英、法语言选择时，按下“G”键选择英文。见图8。

(4).填写个人资料：将你的个人资料按照表格的要求填入。参见图.9。

(5).选择串口： 根据接口电路所插位置，键入数字“1”或“2”……，选择串行接口，见图10。

(6).取样调整： 串口位置选定后，计算机已处在取样调整状态。将收音机调谐在没有电台的频率上，调节音量使噪声信号幅度约在500mV-1V左右,此时计算机会根据噪声信号的特征及计算机速度自动完成取样调整工作。这一步很重要，直接影响观测流星的准确程度。在取样过程中，屏幕上的红色线逐渐靠近水平参考线，若接口未连接好或音量太小，计算机会有错误提示。当屏幕上的红色线变成绿色线，屏幕中出现二条紫色的水平线时，取样调整过程结束，如图11所示。计算机会将信号幅度、频率、扫描时间等参数保存下来。

图8     图9

图10     图11

4. 自动观测

Meteor v8.0对计算机配置要求不高,386、486等旧机器在DOS或WIN98下都能运行。将天线、接口电路连接好，收音机调谐在选定的调频广播电台的频率上。若计算机工作在DOS状态，则键入下面命令

C:\>cd meteorv8 ↙

C:\METEORV8>meteorv8 ↙

Meteorv8开始运行，计算机便处在自动观测、记录状态。Meteor v8.0在Windows98中操作更加方便,只要双击Meteorv8图标，软件便开始运行。用鼠标点击窗口上部的Stop按钮，程序便暂停检测，单击Reset按钮可重新设置串口及取样调整。窗口下方还显示有每小时探测的流星数（Detected Echoe Hour）、信号持续时间（Length Echoe），用功能键还可以改变检测阈值（Thres High、Thres Low）延时（Delay）的大小。表2是各功能键的作用。虽然在取样调整过程中检测阈值和延时都已自动设定，观测中仍然可以根据信号强度和干扰情况做适当调整。当绿色图线超出阈值范围，则图线立刻变为红色，图12中红色突起的部分表示检测到一个流星的反射信号,计算机自动记录下信号的数目和持续时间。下面的柱形图是以1 小时为单位，一天24小时的观测数据。该数据以文本文件保存在计算机里。此外，你还可以选择“CSA”方式，这时检测阈值自动跟踪噪声电平的变化，如图13。这样可以进一步提高自动观测的准确程度。

图12     图13

表2

5.                   数据处理

在安装软件和观测的过程中，Meteorv8创建了一系列的数据文件，这些文件存放在DATAS文件夹中。DATAS中的数据是我们需要的结果，也是以后做进一步分析的原始数据，应注意保存好。

1.STA文件

STA文件记录的是每一天的观测结果。文件名用时间表示。如06022004.STA表2004年2月6日的观测数据。STA文件可用记事本打开。

2.RMOB文件

RMOB文件记录的是每个月的观测结果。RMOB文件名也是用时间表示。如RMOB0204.TXT表示2004年2月的统计数据。用记事本打开可以看到每个月的观测情况。在http://www.rmob.org网站有一在线的Colorgramme,它可将RMOB文件转换成直观的图像。

3.DAT文件

DAT文件记录的也是每一天的观测结果，文件名与STA文件对应。DAT文件的信息比STA文件详尽的多。它以1分钟为记录间隔，记录的是一天中每分钟内流星信号的持续时间、数目等。

除以上三个文件外，在DATAS文件夹中还有RAW和NDX文件，它们都是为做进一步分析而记录的数据。你可以将你的观测到的这些数据通过因特网发到相关的网站（如http://visualrmob.free.fr，http://www.imo.net），让世界各地的爱好者共享你的成果。      

利用调频广播自动观测流星是一项很有趣的科技活动。它涉及到天文、电子、计算机等多学科知识，这里面还有许多未知的领域等待人们进一步探索、研究。欢迎爱好者通过[email protected]或[email protected]交流。

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