UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA FÍSICA

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1 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

2 Contenido 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.

3 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]

4 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).

5 Conceptos básicos sobre meteoros Meteoro observado en la ciudad de Peekskill New York, USA en el año de 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

6 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.

7 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.

8 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]

9 Conceptos básicos de Radar 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.

10 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.

11 Tipos de eco de meteoro [Extraído de Close et al, 2002]

12 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 Las letras A, B y C representan los cuartos de la antena utilizados para la recepción.

13 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.

14 Configuración de los experimentos de meteoros en el ROJ Comparación de la potencia recibida por cada tipo de pulso Tipo de pulso Longitud del Pulso IPP P pico SNR Pulso Corto 1*0.15km 60km % Pulso Largo no codificado 13*0.15km 60km % Pulso largo codificado 13*0.15km 60km % RTI para los pulso largo codificado (gráfico de la izquierda) y corto (gráfico de la derecha).

15 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).

16 Configuración de los experimentos de meteoros en el ROJ Proceso de decodificación v out = v in ( t) c * ( t) Donde: v vout es la señal decodificada. v in es la señal recibida. C es el código utilizado. f d es la frecuencia Doppler. S = F(v in ) C = F(c)

17 Configuración de los experimentos de meteoros en el ROJ Parámetro Periodo entre pulsos (km) Tipo de pulso Muestreo (km) Ancho del Pulso (km) Rango de Altura muestreado (km) Tiempo de Muestreo ambiguo (µs) Nyquist (km/s) Potencia Transmitida (MW) Ciclo de Trabajo (%) Número de Receptores Receptores Fecha Procesamiento Modo Código - Barker ± Analógicos 19 de Noviembre 2002 Automático Modo 1 60 Código - Barker ± Digitales 23 de Noviembre 2005 Manual

18 Descripción de la técnica para caracterización de ecos de meteoros Datos Crudos Selección de muestras Decodificación? Funciones estadísticas: Potencia Autocorrelación Correlación cruzada Selección de posibles meteoros Etapa de Pre-Procesamiento Lectura de datos crudos. Selección de muestras: Canales Perfiles Rangos Decodificación de datos (opcional). Guardar información

19 Descripción de la técnica para caracterización de ecos de meteoros Datos Crudos Etapa de Pre-Procesamiento Selección de muestras Funciones estadísticas: Potencia Autocorrelación Correlación cruzada Selección de posibles meteoros Guardar información Funciones estadísticas: Potencia Decodificación? * Pi = VrtV i(,) i (,) rt i= 0: n 1 Correlación cruzada ρ = * ij, Vi(,) r t Vj(,)) r t i, j= 0: n 1 Autocorrelación ρ * ii, VrtV i(,) i (, rt τ) = + i= 0: n 1

20 Descripción de la técnica para caracterización de ecos de meteoros Datos Crudos Selección de muestras Decodificación? Funciones estadísticas: Potencia Autocorrelación Correlación cruzada Selección de posibles meteoros Etapa de Pre-Procesamiento Selección de posibles meteoros: SNR > SNRTH Guardar información. El nuevo formato permite ahorrar espacio de almacenamiento en una proporcional de 1:10 respecto al espacio utilizado por los datos crudos. Guardar información

21 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. 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. Grabado de parámetros

22 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.

23 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.

24 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

25 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 α Velocidad absoluta: v ABS v 0 r sinθ Desaceleración absoluta: a ABS a r v + abs α cosθ t Esquema geométrico utilizado para representar la trayectoria del meteoro en el haz transmitido por el radar.

26 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.

27 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.

28 Remoción de los ecos de Electrochorro Ecuatorial Utilizando coherencia y velocidad Doppler coh coh v AB BC Doppler > > > 500m / s

29 Remoción de los ecos de Electrochorro Ecuatorial Filtrado de la componente DC

30 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

31 Comparación de resultados: Modo 0 versus Modo 1 Distribución alrededor del Ápex Modo 0 Modo 1 Modo 0 Modo 1

32 Comparación de resultados: Modo 0 versus Modo 1 Estimado de la velocidad radial Modo 0 Modo 1

33 Conclusiones: Conclusiones y trabajo a futuro 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.

34 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.

35 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.