Home

 

Pulsarmessung bei 406 MHz

Ziel der Messungen ist es die Emission des Pulsars B0329+54 zu messen. Dieser Pulsar ist im Sternbild Giraffe am nördlichen Himmel zu finden und der zweit stärkste überhaupt. Ein höheres Signal hat nur der B0833-42 (Vela Pulsar), der aber leider nur auf der Südhalbkugel zu sehen ist. Einen Pulsar kann man sich wie den Scheinwerfer eines kosmischen Leuchtturm vorstellen der ein stark gerichtetes Signal sendet und sich dabei um die eigene Achse dreht. Vom Schiff b.z.w. von der Erde aus sieht man dann immer nur ein kurzes Aufblinken pro Umdrehung.
Die Synchrotronstrahlung des Pulsar ist breitbandig und leider ziemlich schwach, im Fall von B0329+54 etwa 1,5 Jansky bei 400 MHz und wäre somit mit einer kleinen Antenne nicht zu messen.
Aber man hat einen großen Vorteil. Von der Messungen der profesionellen Astronomen mit ihren Riesenantennen ist die Blinkfrequenz und Pulsdauer genau bekannt, beim B0329+54 sind das 1,39954 Hz Frequenz und 6,6 ms Pulsdauer. Das bietet die Möglichkeit über mehrere Stunden zu messen und die Daten phasenrichtig zu addieren. So kann das Rauschen stark reduziert werden.
Die Stärke der breitbandigen Synchrotronstrahlung steigt mit fallender Frequenz an, so hat der B0329+54 bei 1400 MHz nur noch 0,2 Jansky.
Die Frequenz von 406 MHz wurde gewählt da sie hoffentlich relativ störungsfrei ist aber wegen der Nähe zum 70cm Amateurfunkband (430..440 MHz) die für Amateurfunk gedachten Geräte und Bauteile noch verwendet werden können. Störungen könnten von >>Wettersonden<< stammen die im gleichen Frequenzband senden, aber immer nur zu bestimmten Zeiten fliegen
 
Der mögliche Erfolg der Pulsarmessung wird nicht zuletzt auch durch die Mess-Software bestimmt. Die Daten des RTL-Sticks werden über das TCP-Protokoll ausgelesen. Das Dos-Programm RTL_TCP erstellt den Server und mit Delphi wird ein TCP-Client programmiert der die vom Server gesendeten Daten übernimmt. Aus den IQ-Rohdaten wird der RMS-Wert berechnet, 1024 mal aufaddiert und dann abgespeichert. Durch das Aufaddieren wird die Datenmenge stark reduziert sodass für eine Messzeit von einer Stunde nur etwa 14 MByte Daten anfallen.
Zur Auswertung müssen diese Daten mit einem entsprechenden Algorithmus verarbeitet werden um den Verlauf des Pulses zu ergeben. Viele Amateure verwenden sogenannte >>Time-Bin-Folding Algorithmen<<, der Verfasser zog es vor einen anderen Weg zu beschreiten. Es werden einfach die Daten mit der passenden Periode aufaddiert.
Zum Test der Methode werden mit einem HF-Generator Burstpulse mit der entsprechenden Frequenz (406 MHz), Pulsdauer (6,6 ms) und Wiederholrate (1,39944 Hz) erzeugt und mit dem RTL-Stick gemessen.
Da sowohl der HF-Generator wie auch der RTL-Stick nicht 100% in der Frequenz stabil sind wurde ein Programm geschrieben das die angenommene Periode etwas ändert und so den besten Wert automatisch findet. Als Kriterium wurde das Verhältniss vom Maximum der Messkurve zum Mittelwert über alle Punkte verwendet.
Die obere linke Kurve zeigt das ein ausgeprägtes Maximum durchlaufen wird aus dem die passende Frequenz zur Faltung gewonnen wird. Das rechte Diagramm dass mit passender Frequenz (schwarze Kurve) der Impuls einwandfrei rekonstruiert wird. Liegt man etwas daneben, hier 30µHz entsprechend 7 ppm verschwindet der Impuls vollkommen im Rauschen ( rote und blaue Kurve ). Man sieht wie wichtig eine hohe Frequenzkonstanz des Empfängers b.z.w. Samplers ist.
Die Messungen der Pulsarstrahlungwurden auf 430 MHz unternommen. Die ursprünglich vorsehene Frequenz von 406 MHz konnte nicht verwendet werden da der hierfür gekaufte Vorverstärker an der Antenne Schwierigkeiten machte. >Antenne< und >Empfänger< sind auf eigenen Seiten beschrieben. Die Pulsarmessungen underscheiden sich von den Rauschmessungen nur durch die Software. Aus den, mit einer Rate von 1 Megasamples/Sekunde aufgenommenen IQ-Daten werden RMS-Werte berechnet und diese 1024 mal gemittelt. So erhält man Daten mit einer effektiven Samplerate von ca. 5,9 Kilosamples pro Sekunde welche abgespeichert und später mit der oben beschriebenen Analyse-Software verarbeitet werden. Es wurde während des Pulsardurchgangs eine Stunde gemessen.
Die Diagramme zeigen die Messungen vom 14., 15., 16. und 20. März, links der Suchlauf, rechts das gewonnene Pulsarsignal. Man sieht das nicht an allen Messtagen gute Ergebnisse erhalten werden, das hängt stark von lokalen Störungen ab.
Zur weiteren Verbesserung kann man die Ergebnisse von guten Tagen aufaddieren und so das Rauschen weiter veringern. Da aber die Messungen der verschiedenen Tage keinen zeitlichen Zusammenhang haben kann das Pulssignal an einer beliebigen Position in der Periode auftreten. Vor einer Addition müssen deshalb die Messdaten so verschoben werden dass das Maximum der Kurve an der gleichen Position erscheint. Unten die die Messungen von 9 Tagen vor- und nach der Rotation gezeigt
Links das Ergebniss der Mittelung über 9 Messungen. Das Signal ist nun klar zu erkennen.
Zusätzlich kann man die Signale mehrerer Messungen zu einem Wave-File montieren und so den Pulsar sogar hörbar machen. Natürlich nicht in Echtzeit, sondern nur durch künstliche Montage, aber man erhält doch ein Gefühl für die schnelle Rotation dieses kosmischen Leuchtfeuers
Ein Artikel zu diesen Messungen ist auch in der
>Zeitschrift UKW Berichte<
im Oktober 2018 erschienen