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ICARA 2012 - Colle Leone (TE), 27-28 ottobre 2012
Radiometeore, oggi
Giovanni Aglialoro, IV3GCP
Massimo Devetti, IV3NDC
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Osservazioni del Flusso Meteorico con tecniche radio
Un Meteoroide, a causa del campo gravitazionale terrestre, entra nella nostra atmosfera a velocità di decine di km/s.Appena esso incontra strati gassosi sufficientemente densi, si riscalda per attrito, evaporando in superficie ( processo di ablazione ). Gli atomi così liberatosi collidono con gli atomi di gas circostante.L’elevata energia (in particolare cinetica) associata al Meteoroide si trasforma quindi in:
-Radiazione nello spettro visibile
-Aumento di temperatura
- Ionizzazione delle particelle circostanti
3
Il flusso meteorico “normale” (Meteore Sporadiche) presenta variazioni giornaliere e stagionali. Oltre a ciò, in certi periodi dell’anno l’orbita terrestre interseca “Streams” ad alta densità di Meteoroidi (Sciami di Meteore).
Quali sono le tecniche osservative applicabili al flusso meteorico?
Visuale
Fotografica
Telescopica
Video
Radio
4
Il passaggio di un meteoroide in atmosfera lascia una scia di gas ionizzato che diffonde o riflette (per un certo intervallo di tempo, proporzionale al quadrato della lunghezza d’onda incidente) le onde radio ad essa incidenti, su frequenze ove normalmente non è possibile la ricezione oltre l’orizzonte radio.Sintonizzandosi su una frequenza ove irradia un trasmettitore noto (il cui segnale normalmente non è ricevibile), il passaggio di una meteora è segnalato da un eco del segnale proveniente dal trasmettitore considerato.
Le osservazioni delle Meteore con tecniche radio si basano sul principio del Meteor Scatter
5
L’osservazione con tecniche radio permette di svincolarsi da una serie di limitazioni, proprie delle precedenti metodologie:
• Imprecisione dell’osservatore umano
• Impossibilità di osservazioni diurne
• Dipendenza dalle condizioni climatiche
• Inquinamento luminoso
• Dinamica strumentale (osservazione delle sole meteore visibili)
Le osservazioni radio, pur soffrendo di una serie di altre limitazioni, costituiscono tuttavia uno dei metodi più efficaci per lo studio delle meteore, e sono adatte in particolare a sessioni osservative su lungo periodo.
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Meteor Back Scatter Observations
(Radar Meteorici Attivi)
Antenna Radar
Meteora
7
Forward Meteor Scatter Observations
Meteora
Trasmettitore Ricevitore
A differenza della tecnica precedente, tipica dell’ambito accademico e professionale, la tecnica osservativa basata sul Forward Meteor Scatter è alla portata dei ricercatori amatoriali, qualora si utilizzi un trasmettitore preesistente. Questo tuttavia deve essere scelto sulla base di opportune specifiche.
D
8
Caratteristiche del Trasmettitore Ideale per F.M.S.O.
• Sufficientemente distante da non essere normalmente ricevibile via Tropo ( typ. D>600 Km )
• Non troppo distante da non consentire lo Scattering meteorico, per motivi geometrici ( D<2200 Km )
• Frequenza di trasmissione nota e non interferita da altre emittenti
• Operante in continuità senza interruzioni di servizio
• Segnale trasmesso di caratteristiche invarianti nel tempo ( es: portante non modulata )
• Frequenza operativa che non permette forme propagative tali da consentire la ricezione (ad eccezione del M.S.): Gamma VHF
• Potenza di trasmissione sufficientemente elevata, Radiation Pattern dell’antenna non sfavorevole
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Frequenza operativa scelta: 55,052 MHz(Portante Video DR1, Fyn, Denmark)
Fino all'anno 2010
Questo trasmettitore TV presentava caratteristiche ottimali in termini di:
- distanza dalla stazione ricevente ( ~ 1100 Km )
- potenza di uscita (25 KW ERP, Pattern omnidirezionale)
- operatività ( h24 tutto l’anno )
- immunità alle interferenze (non vi sono altri trasmettitori su freq. vicine)
Audio (MHz)
Cityva
Station
Audio
ERP
Coordinates
HAAT (m)
60.0521
221
Country Video (MHz)
Audio (MHz) City Station Video
ERP (W)Audio
ERP (W) Coordinates HAAT (m)
Denmark 55.0521 60.0521 Fyn DR 1 25,000 1,25010-29E / 55-17N
221
10
Osservatorio Radio-meteoricodel Liceo Scientifico di Gorizia: configurazione fino al 2010
ANT. 4 el. Yagi
ANT. Preamp.
f = 55.05 MHz
RX CONVERTER
LO
94 MHz
IF = 149.05 MHz
VHF RECEIVER
AUDIO AGC
A / D BOARD
Acquisition
Reduction & Analisys
Data & Plots
ATT
11
Caratteristiche tecniche del sistema
Antenna: Yagi 4 elementi f0 = 55 MHz, G = 6,5 dBd; HPBW (a -3dB) =65°;
LNA: MosFet BF981, G = 16 dB, NF = 1 dB;
12
Caratteristiche tecniche del sistema
Linea di discesa coassiale: 15 m di RG213
Step Attenuator: 50 Ω, 0,1 - 40 dB;
Up converter: 2x BF981 + mixer SBL1, G = 20 dB, NF = 1,5 dB
Oscillatore Locale 94 MHz,, uscita 40 mW (+16 dBm);
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Caratteristiche tecniche del sistema
Ricevitore IF: Yaesu FRG 9600 (uscita audio, uscita AGC);
Scheda A/D: 8 bit Flytec FPC010
Computer: PC Pentium 133 MHz con Windows 98 !
Software: Automatic Meteor Counting System
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Software di acquisizione
Rileva gli “echi” causati dall’ingresso di un meteoroide in atmosfera e li associa ad eventi, che vengono registrati su file di testo.
Il sampling combinato dei segnali AGC (Open Loop) e Audio permette di determinare se un’aumento di potenza ricevuta è dovuto a segnale utile (eco meteorico) o a rumore.
L’analisi del segnale audio permette anche, entro certi limiti, un filtering nei conteggi (echi dovuti ad altri trasmettitori, sufficientemente lontani in frequenza, non vengono conteggiati).
15
Software di acquisizione
AGC (Open Loop)
PWR
PWR > PwrThr ?
No Signal / No Meteor Detection
PwrThr = NoiseFloor + ΔPwr
NO
YES
Autocorrelation Algorithm
AUDIO
K > KThr ?
NO
Meteor Detection
To counter
10 Hz Sampling
No Meteor Detection
YES
16
Software di acquisizione
Il coefficiente di Autocorrelazione K assumerà valore elevato solo se la potenza del segnale audio è concentrata, in termini di spettro, attorno alla frequenza del “Tono Audio” che ci aspettiamo di ricevere dal trasmettitore lontano.
I Parametri NoiseFloor , ΔPwr e KThr sono impostabili all’inizio della sessione di osservazione. Il loro valore definisce la “Sensibilità” (Magnitudine Limite) del sistema di rilevazione e conteggio di eventi meteorici.
In base alla tipologia di osservazione da effettuare (Meteore Sporadiche, Sciami Minori, Sciami Maggiori o Meteor Storms) i parametri sopraccitati (come l’attenuazione sulla catena di ricezione) vanno scelti nell’ ottica del miglior compromesso tra Sensibilità ed Immunità ai disturbi.
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Procedura di osservazione
1. Accensione del sistema ed eventuale setup
2. L’acquisizione è automatica; ogni 24 ore vengono generati 2 file (formato testo) contenenti i dati acquisiti secondo diverse modalità; i file vengono aggiornati ogni 20 minuti
3. Trasferimento dei file al PC dedicato all’analisi; elaborazione con appositi tool (es.: fogli Excel)
…una breve clip del sistema in azione
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Esempio di file generati
• Quiet Signal -125 dB• Trigger Size 2 dB• Audio Threshold 55 • Max Ping Duration 8 * 0.1 sec• Transmitter ID DR1 • Frequency MHz 55.052 • RX Antenna 4elYagi • Antenna Beamwidth 65Degs • Beam Azimuth 355Degs • Beam Elevation 5Degs • Minimum RX NF 2dB • Attenuation 12dB
• <- MID TIME UT -> <------ COUNT -------> • DA MO YR HR MN SC FALSES PINGS METEOR • ======== ======== ====== ====== ====== • 19 4 7 11 7 59 2329 125 139 • 19 4 7 11 27 59 1806 116 127 • 19 4 7 11 47 59 1926 111 126 • 19 4 7 12 7 59 1408 171 181 • 19 4 7 12 27 59 1085 150 161 • 19 4 7 12 47 59 803 108 113 • 19 4 7 13 7 59 823 102 108 • 19 4 7 13 27 59 595 150 159 • 19 4 7 13 47 59 1038 120 127 • 19 4 7 14 7 59 598 131 137 • 19 4 7 14 27 59 418 122 128 • 19 4 7 14 47 59 501 124 135 • 19 4 7 15 7 59 360 112 118 • 19 4 7 15 27 59 646 97 107 • 19 4 7 15 47 59 602 100 109 • 19 4 7 16 7 59 620 95 106 • 19 4 7 16 27 59 737 62 72 • 19 4 7 16 47 59 637 47 54 •
(riporta i conteggi del numero di echi ad intervalli regolari di 20 min)
• tot 05 1 5 10 25long • dd mm yy hh mm ss dur met met met met met met met• 19 4 7 11 27 59 1941 392 307 45 34 5 1 0• 19 4 7 12 27 59 1540 455 390 39 21 5 0 0• 19 4 7 13 27 59 1220 394 330 42 21 1 0 0• 19 4 7 14 27 59 1256 400 328 49 22 1 0 0• 19 4 7 15 27 59 1080 334 278 31 25 0 0 0• 19 4 7 16 27 59 958 232 186 18 26 2 0 0• 19 4 7 17 27 59 762 177 143 16 16 2 0 0• 19 4 7 18 27 59 526 142 119 11 11 1 0 0• 19 4 7 19 27 59 627 135 110 18 6 0 1 0• 19 4 7 20 27 59 674 279 257 8 13 1 0 0• 19 4 7 21 27 59 565 221 190 19 12 0 0 0• 19 4 7 22 27 59 629 240 202 26 12 0 0 0• 19 4 7 23 27 59 1109 302 250 27 23 2 0 0• 20 4 7 0 27 59 953 344 302 26 15 1 0 0• 20 4 7 1 27 59 678 270 236 23 11 0 0 0• 20 4 7 2 27 59 1056 390 344 27 18 1 0 0• 20 4 7 3 27 59 1126 404 352 27 25 0 0 0• 20 4 7 4 27 59 1498 436 375 30 29 1 1 0• 20 4 7 5 27 59 1163 392 329 39 23 1 0 0• 20 4 7 6 27 59 1285 435 382 25 27 1 0 0• 20 4 7 7 27 59 1858 497 433 33 26 3 1 1• 20 4 7 8 27 59 1836 538 456 50 29 2 1 0• 20 4 7 9 27 59 1694 481 414 40 25 0 2 0• 20 4 7 10 27 59 2151 495 425 47 18 2 1 2
(raggruppa gli echi in classi di durate, su base oraria)
Esempio di elaborazione dati
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Andamento giornaliero del flusso meteoritico
Source:
METEOR SCIENCE AND ENGINEERING,
D.W.R. McKinley 1961
Tale flusso ha variazioni stagionali e giornaliere, legate principalmente all’altezza del punto di Apice celeste rispetto all’orizzonte: tale punto corrisponde alla regione di atmosfera avente la massima probabilità di intercettare meteore. L’andamento del flusso è in prima approssimazione sinusoidale, con massimo nelle prime ore nel mattino e minimo in prima serata. Più intuitivamente, basta notare che proprio nelle ore mattutine l’osservatore si trova sulla zona della Terra orientata nel verso di avanzamento del moto orbitale terrestre; tale posizione consente di intercettare un maggior numero di meteore, con la massima velocità relativa tra Terra e meteoroidi.
20
Verifica del flusso meteorico giornaliero
Uncorrected Total Counts - 3/4 Oct 2007
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Local Time
RH
R (
Co
un
ts/H
ou
r)
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11
Oct. 3 Oct. 4
Conteggi
Linea di tendenza
21
Osservazioni su base continuativa
Uncorrected RHR - 8/14 Oct. 2007
0
100
200
300
400
500
600
700
Local Time
RH
R (
Co
un
ts/H
ou
r)
Total counts
12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12
Oct. 9 Oct. 10 Oct. 11 Oct. 12 Oct. 13 Oct.14 Oct.14
Il generico conteggio rileva il flusso giornaliero di meteore sporadiche, con sovrapposti eventuali sciami
22
Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007
Uncorrected Hourly Counts / a-Aurigids 2007
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Time UT
Un
corr
ecte
d R
HR
(co
un
ts/h
ou
r)
Underdense
Total
Overdense
AUR Outburst
8 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 9
29 Aug. 30 Aug. 31 Aug. 1 Sept. 2 Sept. 3 Sept. 4 Sept.
Predicted Peak: Sept. 1, 11.33 UT ± 20 min. (Jenniskens/Lyytinen)
23
Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
RHR (Counts/Hour)
Hours (Local Time)Sept 1, 2007
a-Aurigids 2007 - Duration Distribution
d> 25 s
10 s <d< 25 s
5 s <d< 10 s
1 s <d< 5 s
0.5 s <d< 1 s
d< 0.5 s
Total Counts
Duration classes (s)
Bright Meteors
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Osservazione di sciami: Funzione di Osservabilità
Approximate Observability Function - Gorizia to Fyn - Lyrids 2007
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Local Time
Eff
icie
ncy
%
La rilevazione, e la successiva “estrazione” di un determinato sciame dal flusso giornaliero si effettua una volta nota la Funzione di Osservabilità, relativa allo sciame considerato (oltre che funzione del tempo e della geometria di tratta).
Tale funzione dipende principalmente dall’altezza del Radiante dello sciame rispetto l’orizzonte, e dalla direzione reciproca (in Azimut) tra stazione TX, RX e Radiante, in funzione del tempo.
In prima approssimazione, il massimo di “Efficienza Radio” si ha per un altezza del radiante sull'orizzonte pari a 45°, e quando la direzione del Radiante è ortogonale alla direzione di tratta radio.
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Osservazioni di sciami: Liridi 2009
20,4 21,4 22,4 23,4 24,4 25,4 26,4 27,4 28,4 29,4 30,4 31,4 32,4 33,4 34,4 35,4 36,4 37,4 38,4 39,4 40,40
50
100
150
200
250
300
Lyrids 2009 - Raw Total Counts
Solar Longitude (J2000)
RH
R (
cou
nts
/ho
ur)
Apr 10
Apr 22 Apr 30
[M. Sandri, M. Devetti, G. Aglialoro – 2009]
26
SottrazioneDel
Background(Meteore
Sporadiche)
Correzioneper altezza
del Radiante
Calcolo del Profilo Radio
Correzione per direzione
(Azimuth) del Radiante
27
Profilo di Attività Finale
29,896
974
30,019
008
30,141
042
30,263
076
30,385
1130
,507
144
30,629
178
30,751
212
30,873
246
30,995
2831
,117
314
31,239
348
31,361
382
31,483
416
31,605
4531
,727
484
31,849
518
31,971
552
32,093
586
32,215
6232
,337
654
32,459
688
32,581
722
32,703
756
32,825
7932
,947
824
33,069
858
33,191
892
33,313
926
33,435
9633
,557
994
33,680
028
33,802
062
33,924
096
34,046
1334
,168
164
34,290
198
34,412
232
34,534
266
34,656
334
,778
334
34,900
368
35,022
402
35,144
436
35,266
4735
,388
504
35,510
538
35,632
572
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
2009 LYR Radio Activity Profile
Solar Longitude (J2000.0)
Corr
ecte
d RH
R (M
eteo
r / H
our)
28
Confronto con osservazioni visuali29,896974
30,019008
30,141042
30,263076
30,38511
30,507144
30,629178
30,751212
30,873246
30,99528
31,117314
31,239348
31,361382
31,483416
31,60545
31,727484
31,849518
31,971552
32,093586
32,21562
32,337654
32,459688
32,581722
32,703756
32,82579
32,947824
33,069858
33,191892
33,313926
33,43596
33,557994
33,680028
33,802062
33,924096
34,04613
34,168164
34,290198
34,412232
34,534266
34,6563
34,778334
34,900368
35,022402
35,144436
35,26647
35,388504
35,510538
35,6325720
20
40
60
80
100
120
140
160
180
2009 LYR Radio Activity Profile
Solar Longitude (J2000.0)
Co
rre
cte
d R
HR
(M
ete
or
/ H
ou
r)
nel “radio” (by Cosmic Noise team)
visuale (dati IMO)
Ottimo accordo tra osservazioni
visuali e radio
LYR 2009 Maximum
according to IMO:
Apr. 22, 09 UT
(Λsol = 32° 245)
29
La postazione di rilevamento…
Amateur Radio Station
IV3RZM
Liceo Scientifico Duca degli Abruzzipiazza Divisione Julia 5 - 34170 GORIZIA
QTH: 45° 56’ 17’’ N - 13° 37’ 04’’ EWorld Wide Locator: JN65TW
Region 1 - CQ zone: 15 - ITU zone: 28
30 Alcuni allievi presentano l’attività
a ICARA 2007, Brasimone (BO)
Il Progetto Radiometeore al Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi di Gorizia
Rilevare la presenza di meteore e le variazionidell’attività meteoritica con l’uso di tecniche radio, a fini didattici e scientifici.
IV3EZM, Gabriele IV3NDC, Max
31
Sviluppi futuri
• Caratterizzazione completa del sistema ricevente: stima della Magnitudine Limite in diverse condizioni, determinazione del valore ottimale di attenuazione per il miglior compromesso sensibilità/accuratezza, ecc…
• Applicazione di algoritmi per la riduzione / correzione dei dati rilevati (Dead Time, Sporadics subtr., Observability function…) software per la stima del profilo di attività dello sciame secondo i parametri del nuovo impianto
• Totale automatizzazione delle procedure di acquisizione e plotting, remotizzazione, conteggi disponibili in real-time via web…
• Cambio di frequenza operativa: 143.050 MHz (Radar di Graves, French Space Surveillance System) dato che …
32
Sviluppi futuri Con lo Switch-Off della TV analogica, in buona parte d’Europa, si sono chiusi
quasi tutti i trasmettitori TV nelle basse VHF (banda I, 45-65 MHz), il settore dello spettro più adatto alla ricezione di echi radio meteorici.
In alcuni paesi dell’Europa orientale la TV analogica è ancora in uso su queste bande, ma i trasmettitori purtroppo non sono attivi durante la notte.
es.:
49.749.823 - 849 KN68 Kryvyi Rih, Ukraine
49.750.000 KO33 Minsk, Belarus
33
E’ pertanto necessario orientarsi verso l’osservazione di altri sistemi trasmittenti: tra questi, il più adatto per i nostri scopi sembra essere il radar di Graves (French Space Surveillance System), un radar ad onda continua per l’osservazione di satelliti nell’orbita terrestre.
Il Radar bistatico di Graves (143.050 MHz)
Location: Broye-lès-Pesmes (Dijon) 47.348°N 5.515°E WWLocator: JN27SI
34
Il Radar di Graves (143.050 MHz)
35
Il Radar di Graves (143.050 MHz)
TX sequence = 1,6 s
36
Il Radar di Graves: criticità
• Diagramma di Irradiazione tempo-variante (Phased Array): anche la funzione di osservabilità dipende dal tempo (notevole complicazione in fase di riduzione e correzione dei dati)
• Alcuni echi meteorici rischiano di essere “troncati” a causa del beam steering: sottostima della durata dell’eco
• Impossibilità, in tante aree del nostro Paese, di applicare la tecnica osservativa del Forward Scatter a causa della distanza e della direzione di puntamento (in azimuth) del radar: uso dei modelli di Back Scatter e Side Scatter
37
testi di riferimento, web-links, ringraziamenti …
Un ringraziamento …a Gabriele Brajnik (IV3EZM), Marco Aglialoro, Chiara Corriga, Chiara Pizzol, Simone Kodermaz;alle classi 5D, 5C (dal 2005).
D.W.R. McKinley, “Meteor Science and Engineering”, 1961
International Meteor Organization: www.imo.netFrequenze TV europee: http://www.g0che.co.uk/tv_info.php Make More Miles on VHF: www.mmmonvhf.deRadar Graves: http://www.itr-datanet.com/~pe1itr/graves/
Liceo Sc. Duca degli Abruzzi di Gorizia: www.isisalighieri.go.it/duca/iv3rzm.html
IV3GCP, Jan, [email protected], Max, [email protected]
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Come ricevere gli echi meteorici: strumenti e tecniche
ovvero… -- Radioricevitori -- Antenne -- Accessori -- Frequenze
Giovanni Aglialoro, IV3GCP
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Radioricevitori
Oggi anche con ricevitori (scanner) di dimensioni contenute si può ricevere quasi tutto lo spettro radio!
Sono disponibili anche ricevitori SDR (Software Defined Radio) in cui molte funzioni che prima venivano svolte dai circuiti interni della radio ora sono affidate al pc ad essa connesso.
GNU Radio è un progetto HW/SW con una vasta libreria di strumenti per costruire SDR con la programmazione in linguaggio Python.
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Antenne filari
Dipolo (R=75 Ω)
L (m) = 142,6 / f (MHz)
Inverted V (120° R=50 Ω)
L (m) = 141,9 / f (MHz)
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Antenne direttive Le più diffuse sono le classiche Yagi;
il guadagno, il lobo di radiazione, il rapporto avanti/retro, ecc. dipendono fondamentalmente dalla distribuzione degli elementi a dipolo sulla relativa culla.
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Cavi coassiali, connettori
Dato che la maggior parte di antenne hanno impedenze vicine ai 50 Ω i cavi coax maggiormente usati sono:
RG213 - RG8 - RG58
Connettori: N PL259 BNC
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Quali frequenze?
principalmente queste (ma non solo)...
Channel Frequency (MHz) Locator ID Location
R1 49.749.823 - 849 KN68 INTER Kryvyi Rih, Ukraine
R1 49.749.977 KP50 1TV St Petersburg, Russia
R1 49.750.000 KO33 BT Minsk, Belarus slight warbler (polarizz. orizz.)
Graves Radar: 143.050 MHz - polarizz. verticale
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Nerio Neri “Antenne - linee e propagazione”, C&C
Nerio Neri “Antenne - progettazione e costruzione”, C&C
Graves Radar http://www.itr-datanet.com/~pe1itr/graves/ Frequenze TV europee: http://www.g0che.co.uk/tv_info.phpProgetto OpenSource GNU Radio: http://gnuradio.orgEttus Research (HW/SW per SDR): http://www.ettus.com/ Spectrum Lab (analizzatore di spettro): http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html SpectranV2 (analizz. di spettro) e non solo …: http://www.weaksignals.com/ MakeMoreMiles in VHF: http://www.mmmonvhf.de/
testi di riferimento, web-links,…
Giovanni Aglialoro, IV3GCP, [email protected]
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