20MHz電波的太陽觀測奮鬥史

曹永杰


從去年開始將電波的流星觀測列入業餘天文的一部份工作後,一直對太陽這個巨大的無線電源一直有濃厚的興趣.可惜當時手邊有些工作尚未完成,而且流星的微弱電波偵測瓶頸技巧一直無法有效掌握.所以只能看看一些國外的相關資料,幻想自己製作的太陽電波望遠鏡大致輪廓......

今年8月(2000年),完成"盛大"的英仙座流星雨國際合作觀測(IMO,日本流星協會,比利時歐洲流星組織)後,這套流星觀測的系統數據已經穩定.緊接的獅子座流星雨也將是今年的重點.筆者發現台灣中緯度的流星觀測位置在地理位置上比日本好.可惜國內流星肉眼觀測網數據一直無法建立.否則台灣的流星觀測 Team working將會是國際閃亮的新星...

所以利用空檔,9月該是進行太陽無線電望遠鏡的時候了(此時國內的KITTY貓熱潮漸退,發現KITTY的價格直直落,搶購了一推貓品..哇...好ㄇㄟ....筆者).在評估太陽觀測的直接觀測及GHz方法,雖然可得到最佳的太陽黑子計數和其它太陽電磁波能量指數.但採用這種方法,需要大量的經費和手工製的無線電組件(因為2.8GHz的無線電共振點並非商用頻道.同時屬於無法自製的技術範圍,或許國內衛星無線電通訊廠商(台楊科技)可製作,但訂購量是無法引起他們的興趣.同時價格驚人!)就算是可找到.太陽的追縱也是一個問題,因為太陽一出來,你要架好碟型天線(2.8GHz的波長只有幾公分,電波特性像光學特性,需要反射面反射這些電波),對準太陽並必需在極狹窄的角度範圍內對準太陽移動(否則影響數據穩定性).這種二維軸向移動的裝置,雖然國外有商品,但沒有錢啦....好貴ㄋ....使用赤道儀?我很懶....要我每次搬動赤道儀曬太陽.同時要有追縱過程中的二維修正(使用ST-4 auto guiding或CDS二相位修正.利用導引望遠鏡和碟狀天線保持平行.)等到太陽下山,再搬下去.我不會如此整自己....但如果有錢....或許....

最後,我決定使用間接的電離層反射電波觀測(和交通部的電信研究所方法相似)來觀測太陽閃燄和爆發情況....此方法是利用HF的無線電台發射無線電波.在白天時,因地球的電離層會受太陽能量(x光和紫外線)影響,此時電離層中的較低D層和較高的F層特性會直接受到太陽能量所影響,改變對HF頻道的傳導特性(將有專文介紹).如此會有白天,夜晚(上半夜和下半夜),太陽閃燄爆炸強,弱時期,這些不同時間對HF傳導的物理變化(穿透,反射和吸收).在地面的觀測站則可以利用收到的電波電場強度瞭解太陽在這些時期的變化.

但高於HF頻道的無線電(如VHF,UHF,GHz,MicroWave...)會因需較高的電離反射N層係數(越高頻率的無線電波需要更厚的電離層)而直接穿透電離層跑到外太空去了....所以我們可以在太空中看電視節目....不知外星人是否是吳宗憲的影迷....ㄏㄏㄏ....

在設計觀測系統過程中,我發現15或20MHz的wwv becon radio(wwv為美國標準時間無線電信號)是最好的無線電源.但15MHz的頻率,國內交通部己經在中壢的位置設立一標準時間訊號發射電台,由於我的觀測點在龍潭,相距不到20公里,所以可到以收到此電台的地波.也就是會被蓋台.所以只能選擇20MHz的wwv(20MHz的wwv中繼電台在夏威夷).

我又發現國內的21MHz的天線沒人進口(國內單頻21MHz天線甚少火腿使用).只能自製1/2波長Dipole天線.方法是將電線拉成水平(長度為接收頻道的1/2波長)裝於室外,利用75或50歐姆饋線將信號傳至接收機.初步測式,效果不錯,但地面雜訊有時太強,會覆蓋HF訊號.且很難有效去除.但沒有更好的天線下,勉強使用...後來國內資深火腿bv2ac透露自己有一21MHz天線"珍品".且沒有在用,所以直接衝到板橋"搶"回來...謝謝啦.....哇.... ㄏ ㄏㄏㄏ....

有了天線,決定好工作頻率後,修正約在20.5MHz為最佳共振點後.需要買一部高感度和穩定的接收機,當然第一選擇是icom的PCR-1000型.但是太貴了...同時又需要一部電腦陪著.這樣的經費單單接收部份要3,4萬元...

也因為是以AM為主.所以一般SW短波的接收機即可.於是以國內外的數位式和水晶震盪式短波接收機為首要選擇.最後選定國內的短波機收音機大廠-山進公司的TS-818型專業數位機,此機附有BBS的USB/CW功能.可見數位鎖定和頻率穩定性極佳.也只有Sony的1/2價格.可惜體積稍大.

最後要處理音頻信號轉換線性電壓輸出電路和A/D轉換(RS-232C).於是請2ac幫忙前面問題,自己則處理A/D轉換和RS-232C傳送及軟体信號處理問題.最後東西有了,而錢也花的差不多了...

最重要的電腦卻無力購買......

於是到二手電腦店去購買的二手電腦主機板零件.自己拼裝...在二手店裡,一推沒人要的主機板中,找到一片看起來好像"毫髮無損"的板子,BIOS CHIP也是97年版(配合我的IDE硬碟).CPU為Pentium第一代板.能找到最便宜的CPU只有Pentium-133,利用133MHz 和WIN95平台處理信號轉換問題.(原因無它!此時,這些硬軟体最便宜!!這顆Intel-133/MMX還是92年出廠的...便宜嘛...才400元...)

經過1個月的安裝,測試,架設天線和佈線,終於可以進行實地測試了.由於使用的天線為水平Dipole所以朝向美國方向(面向東西向).使用50歐姆低損失饋線.此時非使用音頻FFT-DSP方式觀測,無法分辨出電腦雜訊和其它室內雜訊(會蓋住微弱的電離層雜訊),所以將接收機,天線饋線和電腦等保持相對距離1公尺外的安裝,避免干擾.

最後選擇無電台段頻率20.1MHz來接收訊號,因為選定電台頻率,其電台無法有24小時全天定頻收訊(國外電台依其頻率,白天/夜晚和電離層反射特性,會有不同時間,頻率傳播節目,所以無法全天利用此電台監測電離層).所以為得到來自太陽的微弱雜訊曲線,一點點干擾(1,2dBi的強度)則蓋住太陽的雜訊變化.為得到正確的電離層雜訊,一定要避開這些人為雜訊干擾.

一切完成後,已經是9月天了.我開始接收20.1MHz的雜訊進行監測,並取得美國的GOES衛星大氣層外的太陽個波段X光監測數據(X 光進不了大氣層內)進行比對.

剛開始時,太多的硬,軟体狀況,環境和干擾問題(連二手列表機也出問題..唉!)..數據一直不穩定,直到最近才趨於正常.並且和GOES的數據相吻合.證明利用HF無線電反射電離層和太陽爆發可以間接得到強度和發生次數數據.等到相當一段時間後,相信會和流星觀測一樣,趨於穩定.

最近為觀測太陽風所帶來的大量電離子,開始嘗試自製專門觀測地球磁場變化的感應系統(地磁場儀),利用雷射光和反射轉動放大角距,來感應偵測地磁微弱高斯變化.但這系統要有穩定的環境和最重要的"錢",時間....所以也是一步一步來吧...急不得囉....

為了滿足自己的好奇心,這幾年來一直嘗試利用無線電觀測天文.代替光學方式,因為台灣的光學觀測要有研究價值,要突破光害和高經費的瓶頸.否則僅是拘限在天文攝影和武力競賽的迷失中,筆者早就厭倦國內這種業餘天文生態.同時也想為台灣業餘天文在國際觀測合作間貢獻己力.於是進入無線電天文觀測這一未知領域.才發覺利用無線電可以觀測好多的天文現象,同時數據多有參考價值.國際間也頗為重視...

幾年來,國內的業餘無線電天文發展,一直是沙漠.因為懂天文的業餘者要進入無線電領域,必需懂得無線電(電波傳導),電子/電腦相關知識和天文知識...所以最好有理工背景(相對的,業餘無線電愛好者也是如此,因為連火腿們投入基礎無線電研究的人也是恐龍一族,非常稀少,眾多熱衷於利用現有機種設備,進行話務通訊)

其實無線電天文是一種利用較特殊的無線電接收機,接收來自天體間的自然無線電,這些訊號多是微弱且容易被地面雜訊所干擾.所以利用電子和電腦科技去除這些障礙.同時電腦可以進行不限天候,時間的長期觀測.這些優點都不是光學觀測所能比擬的...

唯一的問題就是要"看到"這些天文景象,可能是利用數據,曲線或電場強度光度圖這些較抽像的圖來分析(光學觀測所得到的多半也是如此),而不是照片.缺乏資訊也是其中 之一.

這一切或許是阻礙國內無線電天文的發展的最大原因.其實國外也一樣,但業餘投入者卻是如此的多,我想除了上述原因外,國內同好或學生缺乏動手作的觀念也是主要原因...(多少人在國中時代有興趣或時間焊電路板作收音機ㄋ?)同時也把追求名利看的太重...

其實ㄋ,天文和業餘的精神就是...

業餘就是一種樂趣,心煩的時候看看星星,停下來喝杯茶或咖啡..讓自己輕鬆.既沒壓力,也沒有競爭...只有四週的星星陪著你/妳...否則和工作有何不同!?既談不上業餘...更談不上輕鬆.

台北貓貓族筆