¿Que es un meteoro? - Radio Observatorio de Jicamarca

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA FÍSICA
“Caracterización de meteoros, utilizando el
radar VHF del Radio Observatorio de
Jicamarca durante la presencia de ecos
coherentes de Electrochorro Ecuatorial”
Bachiller Freddy Ronald Galindo Palomino
Contenido
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La atmósfera sobre el Radio Observatorio de Jicamarca (ROJ).
Objetivo del presente trabajo de tesis.
Conceptos básicos sobre meteoros.
– ¿Que es un meteoro?
– Lluvia de meteoros y meteoros esporádicos.
Conceptos básicos de radar.
Tipos de ecos de meteoro.
Configuración de los experimentos de meteoros en el ROJ.
Descripción de la técnica para la caracterización de ecos de meteoro.
– Etapa de pre-procesamiento.
– Etapa de post-procesamiento.
Remoción de los ecos del Electrochorro Ecuatorial (EEJ).
Comparación de resultados: algoritmo automático (modo 0) versus
algoritmo manual (modo 1).
Conclusiones y trabajo a futuro.
La atmósfera sobre Jicamarca
Ecos de meteoro
Ecos de Electrochorro Ecuatorial
Gráfico Rango versus Tiempo (RTI). Este gráfico muestra el SNR (en decibeles) obtenido para los diferentes
rangos de altura observados debajo de los 150 km. La escala de colores representa la intensidad del SNR
[Cortesía del Prof. E. Kudeki]
Objetivo del presente trabajo de tesis
“Desarrollar un algoritmo de procesamiento óptimo para la
caracterización de meteoros observados con el radar VHF
del Radio Observatorio de Jicamarca, en presencia de ecos
coherentes del Electrochorro Ecuatorial (EEJ).”
Conceptos básicos sobre meteoros
“Meteoro observado en la ciudad de
Peekskill New York, USA en el año de
1992. Este evento fue no solamente
fue observado por varios aficionados
que presenciaban un juego de
béisbol, sino que además filmado
por mas de 16 observadores”
Conceptos básicos sobre meteoros
¿Qué es un meteoro?
Un meteoro o “Estrella fugaz” es
un destello de luz o rastro de luz
que se emite cuando una partícula
colisiona con las moléculas o iones
de la atmósfera.
Meteroide, meteoro y meteorito. Conceptos ligados
entre si y relacionados a diferentes etapas del
movimiento de una partícula.
Conceptos básicos sobre meteoros
¿Qué es una lluvia de meteoros?
Una lluvia de meteoros ocurre
cuando la trayectoria de la tierra
intercepta la trayectoria de un
cometa.
Ejemplos de lluvias de meteoros:
•Eta de Acuáridas (Abr 1 – May 28)
•Perseidas (Jul 17 – Ago 24)
•Leónidas (Nov14 – Nov21)
Esquema
Observación
ilustrativo
óptica de del
la lluvia
concepto
de meteoros
de lluvia
conocida
de
meteoros.
como Leónidas.
Conceptos básicos sobre meteoros
Meteoros esporádicos
Estos meteoros no se
relacionan con ninguna lluvia.
Las partículas que dan origen a
estos meteoros
han sido
dispersados a tal punto que no
pueden ser reconocidas como
procedente
de
un
punto
especifico en el cielo.
Distribución de la población de meteoros esporádicos en un
sistema de coordenadas eclípticas modificado. [Perrygo, 2001]
Conceptos básicos de Radar
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RADAR : (Radio Detection and
Ranging)
Un radar transmite una
onda
electromagnética (pulso energía) y
detecta una parte de esta energía
(eco) que ha sido
reflejada o
dispersada por un objeto en la
trayectoria del pulso transmitido.
La
detección
se
realiza
estableciendo un valor referencial
para la energía recogida.
Conceptos básicos sobre meteoros
•Ancho de pulso ( PW): Longitud o duración del pulso transmitido.
•Tiempo de repetición entre pulsos (IPP): Tiempo de espera entre
pulso y pulso transmitido.
•Tiempo de escucha: intervalo de tiempo para la adquisición de datos.
Tipos de eco de meteoro
[Extraído de Close et al, 2002]
Configuración de los experimentos de meteoros
en el ROJ
Configuración de la antena
Configuración de la antena utilizada para los experimentos de los días 22 y 23 de noviembre del
2005. Las letras A, B y C representan los cuartos de la antena utilizados para la recepción.
Configuración de los experimentos de meteoros
en el ROJ
Tipos de pulso utilizado
• Los
tipos
de
pulso
estudiados fueron el pulso
corto, el pulso largo no
codificado y el pulso largo
codificado.
• La longitud se relaciona con
la potencia recibida por el
radar.
• La longitud se relaciona con
la resolución en la detección
de meteoros.
Ilustración gráfica de los tres tipos de pulsos estudiados. La longitud
del baudio en los tres casos es de 0.15 km. El número de baudios
utilizados en los pulsos largos es 13, siendo el código utilizado en el
tercer caso, el código Barker 13.
Configuración de los experimentos de meteoros
en el ROJ
Comparación de la potencia recibida por cada tipo de pulso
Longitud del Pulso
IPP
Ppico
SNR
Pulso Corto
1*0.15km
60km
1
0.25%
Pulso Largo no codificado
13*0.15km
60km
1
3.25%
Pulso largo codificado
13*0.15km
60km
1
3.25%
Tipo de pulso
RTI para los pulso largo codificado (gráfico de la izquierda) y corto (gráfico de la derecha).
Configuración de los experimentos de meteoros
en el ROJ
Comparación de la potencia recibida por cada tipo de pulso
RTI para los pulso largo no codificado (gráfico superior) y pulso largo codificado (gráfico
inferior).
Configuración de los experimentos de meteoros
en el ROJ
Proceso de decodificación
v out = vin (t ) ⊗ c * (t )
Donde:
vvout es la señal decodificada.
vin es la señal recibida.
C es el código utilizado.
fd es la frecuencia Doppler.
S = F(vin)
C = F(c)
Configuración de los experimentos de meteoros
en el ROJ
Parámetro
Modo 0
Modo 1
Periodo entre pulsos (km)
200
60
Tipo de pulso
Código - Barker 13
Código - Barker 13
Muestreo (km)
0.75
0.15
Ancho del Pulso (km)
9.75
1.95
Rango de Altura muestreado (km)
80-130
80-120
Tiempo de Muestreo ambiguo (µs)
5
1
Nyquist (km/s)
±1.125
±3.750
Potencia Transmitida (MW)
2
2
Ciclo de Trabajo (%)
4.875
3.25
Número de Receptores
4
3
Receptores
Analógicos
Digitales
Fecha
19 de Noviembre 2002
23 de Noviembre 2005
Procesamiento
Automático
Manual
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Datos Crudos
Selección de muestras
Etapa de Pre-Procesamiento
Lectura de datos crudos.
¿Decodificación?
Funciones estadísticas:
Potencia
Autocorrelación
Correlación cruzada
Selección de posibles meteoros
Guardar información
Selección de muestras:
•Canales
•Perfiles
•Rangos
Decodificación de datos
(opcional).
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Datos Crudos
Selección de muestras
Etapa de Pre-Procesamiento
Funciones estadísticas:
•Potencia
¿Decodificación?
Funciones estadísticas:
Potencia
Autocorrelación
Correlación cruzada
Selección de posibles meteoros
Pi = ⟨Vi (r, t )Vi* (r, t )⟩
i = 0: n −1
•Correlación cruzada
ρi, j = ⟨Vi (r, t )Vj* (r, t )⟩)
i, j = 0: n −1
•Autocorrelación
ρi,i = ⟨Vi (r, t)Vi* (r, t +τ )⟩
Guardar información
i = 0: n −1
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Datos Crudos
Etapa de Pre-Procesamiento
Selección de muestras
¿Decodificación?
Selección de posibles meteoros:
SNR > SNRTH
Funciones estadísticas:
Potencia
Autocorrelación
Correlación cruzada
Selección de posibles meteoros
Guardar información
Guardar información.
El nuevo formato permite ahorrar
espacio de almacenamiento en una
proporcional de 1:10 respecto al
espacio utilizado por los datos
crudos.
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Datos Procesados
Selección manual de meteoros
Cálculo de los parámetros:
• Directos:
Rango inicial, variación en rango
rango, duración, velocidad radial,
etc.
• Inferidos:
Angulo de elevación, velocidad
absoluta y desaceleración absoluta.
Grabado de parámetros
Etapa de Post-Procesamiento
Datos procesados
Los datos procesados son
leídos y la información de estos
se presenta de manera gráfica.
Para este fin se utiliza una
interfase grafica.
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Etapa de Post-Procesamiento – Selección manual de meteoros
Interfase gráfica para selección de ecos de meteoros.
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Etapa de Post-Procesamiento – Selección manual de meteoros
El gráfico de la izquierda muestra un eco de meteoro en presencia de ecos de EEJ y ecos no
especulares. El gráfico de la derecha muestra tres ecos de meteoros en un intervalo de tiempo
muy semejante.
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Etapa de Post-Procesamiento – Cálculo de los parámetros del
meteoro
Velocidad radial
Orientación del meteoro
Desaceleración
Parámetros directos
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Etapa de Post-Procesamiento – Cálculo de los parámetros del
meteoro
Parámetros inferidos
Angulo de elevación:
θ ≈ tan −1 (
∆R
)
R 0 ∆α
Velocidad absoluta:
v ABS ≈
vr
sin θ
Desaceleración absoluta:
a ABS ≈ ar +
vabs ∆α cosθ
∆t
Esquema geométrico utilizado para representar la
trayectoria del meteoro en el haz transmitido por el radar.
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Etapa de Post-Procesamiento – Cálculo de los parámetros del
meteoro
Caracterización de meteoros. Determinación de los parámetros del meteoro para un caso en el cual no se
presenta desaceleración constante.
Descripción de la técnica para caracterización de
ecos de meteoros
Etapa de Post-Procesamiento – Cálculo de los parámetros del
meteoro
Caracterización de meteoros. Determinación de los parámetros del meteoro para un caso en el cual la
desaceleración es significativa.
Remoción de los ecos de Electrochorro Ecuatorial
Utilizando coherencia y
velocidad Doppler
cohAB > 0.6
cohBC > 0.6
v Doppler > 500m / s
Remoción de los ecos de Electrochorro Ecuatorial
Filtrado de la componente DC
Comparación de resultados: Modo 0 versus Modo 1
Ángulo de elevación
Velocidad absoluta
Desaceleración absoluta
Modo 0
Ángulo de elevación
Velocidad absoluta
Desaceleración absoluta
Modo 1
Comparación de resultados: Modo 0 versus Modo 1
Distribución alrededor del Ápex
Modo 0
Modo 1
Modo 0
Modo 1
Comparación de resultados: Modo 0 versus Modo 1
Estimado de la velocidad radial
Modo 0
Modo 1
Conclusiones y trabajo a futuro
Conclusiones:
• El procesamiento de los datos del experimento realizado el 23 de Noviembre del
2005 ha permitido validar esta nueva técnica (Modo 1) para procesamiento de ecos de
meteoros.
• Los resultados observados con el Modo 1 ha permitido mejorar los obtenidos con el
Modo 0. Ejemplos claros de esta mejora son la selección de mas de un meteoro por
intervalo de tiempo y la selección de meteoros en presencia de ecos de EEJ. Esto ha
permitido incrementar el número de meteoros observados, lo cual implica el estudio de
nuevas poblaciones de meteoros.
• La etapa de pre-procesamiento ha permitido desarrollar un algoritmo para
compresión de información, lo cual permite salvar mas del 90% de espacio de
almacenamiento.
• La etapa de post-procesamiento permite manipular y salvar de manera directa la
información relacionada a un eco de meteoro, siendo la interfase creada para este
objetivo una herramienta amigable y de fácil manejo. El operario puede “cazar”
meteoros sin la necesidad analizar extensas líneas de código fuente, sin embargo la
optima selección del meteoro esta supeditada a la experiencia del operario. Además la
información almacenada para cada meteoro permite un análisis mas cuidadoso de los
mismos.
Conclusiones y trabajo a futuro
Trabajo a Futuro:
• Desarrollar un algoritmo automático para la selección de meteoros, utilizando
algunos de los criterios para discriminar ecos de EEJ.
•Procesamiento cuidadoso de aquellos meteoros que exhiben velocidades
mayores a la velocidad del escape del sol.
•Realizar experimentos para determinar la razón de la diferencia en los valores del
Doppler obtenido a partir del ajuste lineal y del proceso de decodificación.
•Realizar un estudio detallado de la propagación de errores a fin de mejorar la
interpretación de los resultados.
Conclusiones y trabajo a futuro
Los diferentes colores utilizados en la
corresponden a distintos valores de SNR
utilizados. El azul corresponde a 5 dB,
rojo 10 dB, y verde 20 dB. Los distintos
símbolos utilizados corresponden a
distintas valores de velocidad utilizados.
El Rombo corresponde a una velocidad
radial de 10 km/s, el triángulo a 35 km/s y
cuadrado a 60 km/s.