BM2EQB曹永杰
HRO(Ham radio meteor observing) 為火腿頻帶流星電波觀測簡說.自從去年底嘗試利用觀
測流星電波作為新的流星計數工作後,才發覺面臨前所未見的困難和無助.
第一是第一次作電波觀測在無深厚的無線電基礎下作最多變數的流星微電波信號偵測.
第二是國內內沒有人有實際作精密的流星微電波觀測經驗.第三是電波觀測的資料非常
有限.懂天文的同好並不懂無線電(如本人).懂無線電的同好並不懂天文.就算找到既懂天
文也懂無線電的同好(如蔡鴻彰兄),但本身並沒有利用電波偵測流星的實際經驗.國內天
文或無線電業餘界並沒有人作過電腦偵測流星電波觀測工作.
回想去年只憑著一股熱情, 跌進這未知的世界,才知無線電的領域是非常有趣而深廣.無
怪乎蔡鴻彰兄一投入就是十年.於是聽從蔡兄意見,開始研讀無線電知識.並考取四等業
餘電台資格.開始無線電的不歸路....
踏出第一步後,開始學習簡單Yagi天線製作,安裝天線,量測駐波比和選購座台機也開始
一段快樂火腿QSO的生活.但興趣還是作流星電波觀測.所以一直在網路上和IMO,日本
的HRO作討教式的聯絡.在電波傳導上作較深入的學習.本身雖是工科出身,無奈電子學
並非本身專業下,許多無線電學理的探討是非常艱深難懂的.於是多問資深同好是唯一
不二法門.在此也感謝時常被我煩的BV2AC蔡鴻彰兄和BV2AP吳尊周先生兩位專家的教
導.
觀測流星要注意Es層的變化:
依照觀測流星的學理,流星的燃燒而產生電離化的反射層約發生在80-120公里高度的Es
層.此Es層隨太陽的出現或消失也有相同的變化.但冬天的太陽因日照較為微弱.Es層並
無法反射頻率在30 - 150MHz的電波.約需等到夏天才會有足夠的Es層反射電波.所以Es層
並不穩定,而且有漂浮移動現像.其反射電波的時間約2小時左右.所以火腿族會利用此機
會和遠地(距離200-2000公里)業餘電台通訊(尤其是50MHz通訊,不過台灣非常少),而且隨
著Es層漂移,可以和不同距離的電台通訊.對於做海外火腿通訊(DX)而言,這非常有趣!
但流星反射電波的時間分別很大.因為流星反射時間約在0.1秒- 4,5秒左右.而且不季節之
分.只要白天或晚上有流星飛過就多少有反射電波的機會.不過隨著頻率越高,有其反射
的時間越短.如1顆星等1等流星,30MHz約有2-3秒時間.在VHF頻如70MHz約有1秒反射時
間.(國內外火腿族大多使用7-28MHz的HF頻帶.利用更高層的F層電離層作反射層,此層適
合白天或晚上,尤其晚上當Es層消失後,穩定的F層可將HF頻帶的DX通訊直達3,000-4,000
公里以上.).所以適合專門觀測流星反射信號的頻率為50MHz -80MHz.但國內的所謂FM
電台帶已經被第四台, 民視,BB Call,低功率地方電台,非法無線電電話,非法電台及都市
密集的汽機車引擎火花信號等覆蓋.76-90MHz已經無"乾淨"的無信號帶存在.這也是初期
嘗試觀測遙遠微弱日本FM電台時,得到一推因差頻及上述原因的干擾信號後的心得.但
如果是用"聽"的.就沒關係.因為這些高能量的雜波信號可省略不計.但電腦偵測微小信
號時就無法自動省略不計了.而50MHz國內業餘較少使用,且國外使用規劃較嚴謹.所以
僅剩下50MHz帶唯一的"淨土"了.
觀測天線的安裝:
要觀測流星的微弱電波,一定要用室外天線(室內,室外的天線感度差了10db).依照天線種
類而言,要看觀測方式如何而定.依其方式簡記如下:
1).採用接收遠方(距離600公里以上的電台)電波信號,再考慮流星雨極大期時,輻射點
大多從東或東南方昇起,經過中天再落至西方或西南方.所以接收範圍為地平至天空約
180度的良好感受範圍.此時可使用架於東西方位,面向南北方位的1/2波長偶極線型天線
(DiPole antenna).依所接收的頻帶波長來架設天線.此天線非常好架設.如採用50MHz的頻
帶接收流星反射信號.其波長為6公尺.1/2波長天線為左拉一隻1.4公尺電線,右再拉一隻
1.4公尺長電線.兩線呈水平.中間可拉一75歐姆信號線至您的接收機.此線架高2公尺以上
離地即可.若要考慮將來可發射電波.最好中間部份再安裝1:1平衡器(Balun).即50歐姆阻
抗對75歐姆阻抗比.以50甌姆線代替75甌姆線.以防將來要發射時產生信號線共振無法有
效發射電波(產生高熱. 即大駐波比).
2).如採用一標示電台站發射及近地接收方式.此為日本HRO最常使用方式.即數個火腿
電台合作.這些電台相距200-600公里之間.由一火腿電台負責為專門發射定頻率(如
50MHz.CW mode)和資料包封的標示台.利用Yagi高增益的特性定期(每分鐘發射10秒
鐘)對中天發射電波.若中天的流星遇到此電波會向中天左右45度以內的接收電台反射.
相距200-600公里的電台即可同時收到.並可第二天利用電腦e-mail作同時間資料傳送及
比對.非常精準且具效率.而這些電台可使用Dipole或Yagi天線對準標示台方位,仰角呈45
度-60度.
若無標示台,如使用國際的標示台的BEACON信號作反射電波源,使用Yagi天線做約30度
範圍的天空接收並不適當.因為流星輻射點是隨地球自轉慢慢由東向西移動.若僅接收
30度範圍天空.待輻射點或以其中心左右45度範圍移離此30度範圍後.流星反射每小時計
量(HR)會快速減少導制嚴重影響全天統計數.此點需注意!此情況即不適合Yagi天線.(雖
然Yagi可作迴轉及仰角電動移動.但耗資龐大,且不及Dipole天線的接收面的廣及寬!)
3).安裝所謂GP垂直天線,此天線發射/接收感度呈 水平8字型.僅適合地平至窄仰角接收,
天線若越長,其接收仰角越窄,這對直線傳波是好事,但對從天空而來的流星電波卻是最
差情況.
流星電波HR的日周期和年周期變化:
我們初次觀測流星並記錄每小時的出現數值(HR),雖然在一般非極大期時期,因為出現
流星ECHO時,其時間和出現計數有其周期關係.這是因為地球的自轉是由西往東回轉.
另外地球的公轉速度為30公里每秒向前移動.但彗星塵埃的移動方向為公轉的反向運動.
而彗星塵埃可進入地球表面的脫離速度為42公里/每秒.所以彗星塵埃進入地球表面的初
期速度有72公里/每秒至12公里/ 每秒的範圍變化.但每顆進入地球大氣層因進入速度的
範圍不同,引起燃燒(和空氣的分子,原子碰撞磨擦)的程度不同.導至引流星周圍的離子化
程度也不同.最後導至電波反射的程度也就不同了.
電子離子化密度=流星質量 x 速度的4次方.所以流星電離化電子流密度隨著速度有極大
關係.
由於地球在清晨6點時的位置,其天空剛好是正面迎向彗星塵埃的時間,所以其流星的初
速度多在72公里/每秒的高速衝下大氣層.所以流星的ECHO計數是最高點.到了中午時
期,觀測點已離開迎向面.從清晨6點HR後逐漸下降.到了下午六點剛好是初速12公里/ 每
秒的"慢流星",且是流星需追著地球跑(流星進入觀測地HR數最少時期).所以此時是一天
HR數最少時期.然後再逐漸上昇至清晨6點為最高點.但在有流星雨極大期的時期,此周
期就隨著輻射點東昇西落的變化主導每天周期的產生.
根據統計,流星echo的年周期變化是夏,秋季HR數較多.但冬天和春天HR較為低.這和太陽
對Es層的變化導至流星echo數加強或多或少有些引響.
對於觀測流星電波者一些建議:
觀測流星電波者,若是利用遙遠FM電台電波收聽.此方式最為簡單,可利用日製收音機(台
灣製收音機頻率為87.5-108MHz,收不到日本電台)接收日本電台頻率.如85.1MHz的大阪
FM電台.82.5MHz的東京NHK電台等.這些電台均為3KW以上高功率發射.在都市可能會
被台北附近的非法低功率地方電台或差頻所干擾.所以最好找海邊或較偏遠的鄉下地方
較佳(非山上,高山雖能聽到較遠電台,但地方電台干擾也很清晰!)但若是干擾不大,
在流星雨的極大期時可以嘗試守聽整晚.天線需採用室外天線.但較無學術觀測價值.且
需整晚不睡覺.這對年青學生可以嘗試.但我們年紀大者,可能效率很差了.
要採用電腦作精密偵測者,需要有相當的天文常識和無線電經驗和理論.因為一般的FM
電台頻率是無法使用.必需接收低功率(僅1-50w)50MHz國際測試電波傳導的示標信號
(Beacon signal日本和美國IMO的HRO都是利用50MHz作觀測),此頻率一般時間是無法收
到的.必須要靠大氣因素或流星配合.若要接收利用流星造成的Es層反射微弱beacon
siganl,則高感度天線是必要的.否則連夏天因太陽紫外線造成的龐大Es層反射的beacon 都
無法收到.而且becon signal並非是每秒鐘一直發射,它是每分鐘發射數秒至數十秒左右的
摩斯電碼(cw mode)信號.所以許多火腿除了利用50MHz測試電波傳導情況外,更利用它監
看VHF電波的傳導情況.因為若能收到50MHz的beacon.144MHz的遠地直接通訊(QSO)就
快能接通(如台灣至香港或台灣至日本每年6-9月舉辦的VHF通訊實驗).
所以天線部份必需使用火腿族使用的高感度Dipole天線.使用低損失的50ohm專用信號傳
送線(5D-FB,8D-FB).收音機要用Communication型的全頻接收機,使用50MHz的 CW或SSB
mode的信號接收.頻寬控制在3KHz.最好使用Band pass filter(又稱 High Q filter).讓不需要的
頻率信號進入造成差瀕或飽合干擾.這在檢測電波信號時,非常重要!
觀測地點也是很重要,台北市都會中,並不適合業餘流星電波的觀測.但除非旁邊1 公里內
就有大功率電台或被第四台線給蓋滿.以上這些必要電子防護措施若有配合.加上已有
經驗能辦別人為信號並去除計數的話,安裝在都市內也是沒辦法的事.(我把設備從台北
家中移到龍潭就是為了減少人為干擾如汽機車引擎的火花干擾.)...
至今我一直在改善接收天線的感度和去除雜波的方面作努力.雖然接收機的硬體和檢測
電波信號的硬軟體大致已完成.但程式一直持續再修改.
從去年只憑著一股熱情一投栽進流星電波的世界後,已經半年了.所花下的時間和金錢
也有相當的程度.至今只覺得在孤軍奮鬥,前途茫然後無援助.這不像天文觀測,只要有錢
購買儀器及有時間研究,許多資料和路都已鋪好.所以結果已可預期.
而流星電波觀測完全不是這一回事,一切都不是現成的!要你一步一腳印並嘗試失敗.一
切設備要自己摸索甚至無中生有.所得數據沒有人告訴你是對是錯!要自己找出錯的,而
錯的原因也要自己慢慢找答案!!要如何解決?不知道!!!要用一切方式力求突破.
或許有人說,將日本現有方式套入不就行了.此論點和天文儀器哈日族相同心態.
但只要進入實地觀測,就會瞭解,在流星電波觀測裏,日本的觀測方式不一定適合台灣方
式.因為台灣的電波太亂了,汽機車太多了,電台太密集了.不像在日本收聽遠方FM的輕鬆
(此為FRO.FM Meteor Radio Observing)因為日本的電波管理十分嚴格,根本無非法地方電
台存在空間.同時在日本收聽beacon的角度和地理位置和台灣方式也不同.火腿族通訊和
HRO觀測目的也不盡相同.他們希望Es層反射越多越好,而HRO希望Es層反射越少越好!
我希望如天文館有關單位有興趣建立此觀測網,由政府單位的力量去推動,或許會更容
易些.結合多人的力量去開發適合台灣自己流星觀測的一條路來!
1999年4月28日晚.....
新安裝於龍潭新家的流星電波檢測觀測設備:
本系統設計於可接收低於1/1,000,000 v/m電波強度的流星echo電波.採用長期全自動觀測.
圖左電腦為IBM PC 可接受全頻接收機的電波數位訊號.並可自動檢測,顯示及分日期個別儲存單日資料.內置時間計數( Real Time data input).
中間為Icon PCR-1000 全頻式接收機及8 bit A/D轉換器.提供信號強度類比輸出及數位輸出(0-255強度範圍).右為控制PCR-1000 電腦.
民國88年5月1日
龍潭觀測站
請BV2AC蔡鴻彰先生協助安裝HF Dipole Multi-Band 天線可接收 7,14,21,28MHz及50MHz 頻帶.經利用Icon 706Mark II 測試各頻帶 最佳感度範圍後完成初步安裝.
地點設置於龍潭 家中頂樓.