Дешёвая и простая радиоастрономия по водородной линии с RTL-SDR, WiFi-параболической сеточной тарелкой, LNA и SDRSharp

Недавно мы тестировали методы, чтобы помочь начинающим радиолюбителям-астрономам войти в хобби дешево и просто. Мы нашли, что недорогая 2,4 ГГц, 100 см × 60 см параболическая WiFi‑сеточная антенна, в сочетании с RTL-SDR и LNA, достаточно для обнаружения пика водородной линии и доплеровских сдвигов галактики. Это означает, что вы можете создать радиотелескоп по водородной линии во дворе менее чем за US$200, без необходимости сложной конструкции.

Если вы не знаете, что такое водородная линия, объясним здесь. Атомы водорода случайно испускают фотоны на длине волны 21 см (1420,4058 МГц). Обычно один атом водорода испускает фотон крайне редко, но галактика и даже пустое пространство заполнены большим количеством атомов водорода, поэтому средний эффект проявляется как заметное пиковое RF‑излучение около 1420,4058 МГц. Направив радиотелескоп на ночное небо и усредняя мощность RF во времени, можно наблюдать пиковое увеличение мощности, указывающее водородную линию, на графике спектра. Это можно использовать для ряда интересных экспериментов, например, вы можете измерить размер и форму нашей галактики. Более плотные участки галактики содержат больше водорода и, следовательно, более высокий пик, тогда как пик будет значительно меньше, когда телепрямой указывает на пустое пространство. Вы также можете измерить скорость вращения нашей галактики, наблюдая доплеровский сдвиг частоты.

Параболические сеточные тарелки на 2,4 ГГц можно купить по низкой цене примерно US$49,99 на eBay и примерно US$75 на Amazon. За пределами США их обычно продают в местных магазинах беспроводной связи или аналогах eBay/Amazon. При покупке убедитесь, что берете версию 2,4 ГГц, а НЕ версию 5 ГГц. Если найдёте параболическую сеточную тарелку на 1,9 ГГц, то это тоже хороший выбор. Хотя мы её не тестировали, она, вероятно, тоже подойдет и даст немного лучшие результаты. WiFi‑антенны сетки широко использовались для приёма геостационарных метеоспутников GOES и GK‑2A на 2,4 ГГц с RTL‑SDR, и у нас есть руководство по этому в нашем предыдущем сообщении.

[2025 Обновление: Из‑за инфляции после COVID‑19 цены на эти тарелки сейчас заметно выше. Вы также можете рассмотреть наш новый продукт Discovery Dish, который представляет собой тарелку + фидер 1,42 ГГц + фильтр + LNA всё в одном.]

Эти тарелки линейно поляризованы, но водородная линия эмитируется случайно поляризованной. В идеале у нас был бы фидер с двойной поляризацией (НЕ круговой поляризацией), но линейная поляризация, как видится, достаточна и заметно проще. Также 2,4 ГГц фид явно не рассчитан на 1420 МГц, но как и в GOES на ~1,7 ГГц SWR достаточно низок, чтобы это работало.

Анимация ниже показывает водородную линию, «дрейфующее» сканирование, выполненное с использованием 2,4 ГГц WiFi‑тарелки, RTL‑SDR Blog V3 и NooElec SAWBird H1 LNA. Скан выполняется за один день, и мы просто позволяем вращению Земли привести Млечный Путь через антенну. Программное обеспечение Stellarium слева показывает движение Млечного Пути/галактической плоскости в течение дня для нашего местоположения. Антенна тарелки направлена прямо вверх, и Stellarium настроен так же, чтобы видеть точно то, что видит наша тарелка.

Можно ясно увидеть, что в радиоспектре около 1420,40 МГц появляется локальная «шишка», которая возрастает, когда части Млечного Пути проходят над антенной. Эта шишка и есть водородная линия, которая детектируется. Так как Млечный Путь заполнен значительно большим количеством водорода по сравнению с пустым пространством, мы видим более крупную шишку когда антенна направлена на Млечный Путь, и только очень маленькую шишку, когда антенна смотрит в пустоту.

Важно игнорировать очень узкополосные пики в спектре. Эти узкополосные пики — это просто радиопомехи от электроники соседей — вероятно телевизоров или мониторов, как мы отмечаем, что большинство помех приходится на дневное время. Также есть большой постоянный пик, который, по-видимому, является артефактом LNA. У использованного нами LNA встроен фильтр на 1420 МГц, но LCD‑TV и другая электроника в современном пригородном окружении излучает шум по всему диапазону, даже на 1420 МГц.

Вы также можете заметить, что пиковая водородная линия смещается по частоте, когда разные участки галактики проходят над головой. Это и есть доплеровский сдвиг той части галактики, которую мы наблюдаем. Использование данных о мощности и доплеровском сдвиге водородной линии — как раз то, чем астрономы ранее определяли свойства нашей галактики, такие как форма, размер и скорость вращения. Если бы мы продолжали сканировать небо в течение нескольких месяцев, мы могли бы в конечном итоге построить полную карту нашей галактики, как это сделано в CCERA, что объясняется в нашем предыдущем посте.

Необходимое оборудование

[2025 Обновление: Из‑за инфляции после COVID‑19 цены на эти изделия сейчас заметно выше. Вы также можете рассмотреть наш новый продукт Discovery Dish, который представляет собой тарелку + 1.42 ГГц фид + фильтр + LNA всё в одном.]

1. Параболическая WiFi‑тарелка на 2,4 ГГц. (~$50)
    
2. LOW NOISE AMPLIFIER (LNA). Это требуется, чтобы показатель шума принимающей системы был достаточно низким, и усиление достаточно высоким.
   1. Мы рекомендуем использовать LNA, оптимизированный под водородную линию. Хорошие модели: NooElec SAWBird+ H1 ($44.95), или предфильтрованный LNA GPIO labs Hydrogen Line ($49.95).  

      Использование специально разработанного LNA для водородной линии с встроенной фильтрацией даст лучшие результаты по сравнению с общим широкополосным LNA. Возможно, для тех, кто живет в районах с сильными помехами от сотовых сетей и вещательного FM/TV и т. п., это может быть обязательно к использованию.
       

   2. Если вы ограничены бюджетом, и вокруг вас не так много сильных помех, можно обойтись безфильтрованным общим широкополосным LNA, например LNA4ALL или наш широчинный RTL‑SDR Blog LNA за $19.

      Обычно мы можем обойтись без фильтра, если направлять антенну прямо вверх в небо или на высокую высоту. Это избегает проникновения в антенну большинства наземных источников шума. Однако LNAs, специфичные для водородной линии, обычно имеют очень высокий коэффициент усиления и очень низкий уровень шума, поэтому они могут лучше подойти для такого типа эксперимента.

3. An RTL-SDR Blog V3, или любой другой RTL‑SDR с встроенным bias tee (~$21.95). Airspy также является хорошим выбором с хорошим программным обеспечением, но стоит значительно дороже.
    
4. Адаптер Type N Male to SMA Male (~$7 на Amazon, дешевле в других местах). У большинства WiFi‑сеточных антенн разъём N‑female, поэтому нам нужно преобразовать к SMA, чтобы подключиться к RTL‑SDR.
    
5. Высококачественный USB‑удлинитель (~$10), достаточно длинный, чтобы дойти до вашего ПК/ноутбука. Рекомендуем кабель USB 3.0, так как они имеют намного меньшие потери напряжения на больших длинах. Если используете активный кабель, убедитесь, что он выдерживает падение напряжения.
    
6. Какой‑нибудь штатив ($39.99) для крепления вашей тарелки, или другой способ установки. Вероятно, можно просто уложить её на землю.
7. 50‑Ом терминатор ($5.50) (опционально, но рекомендуется)
    
8. ПК Windows или ноутбук (для этого руководства). Raspberry Pi также может работать с другим программным обеспечением или в качестве TCP‑сервера.

Общая стоимость (без учета ПК): US$179.40, и, вероятно, меньше, если у вас уже есть часть деталей или найдёте аналоги дешевле в другом месте.

Настройка оборудования

Рекомендуемая схема проста. Антенна направлена прямо вверх -> LNA -> RTL‑SDR -> USB‑кабель -> ПК.

Детальные инструкции ниже:

1. Соберите WiFi‑тарелку. Это просто вопрос скрепления двух панелей между собой несколькими винтами и подключения кормушки. Убедитесь, что кормушка смонтирована вдоль длинной оси, совпадающей с направлением решётки. Также убедитесь, что рефлектор установлен.
    
2. Установите тарелку на улице, направив её прямо вверх к небу. Когда станете немного более продвинутыми, можно попробовать другие углы или даже моторизацию, но начните с положения «вверх» для начала. Вращение тарелки на самом деле не имеет большого значения, так как водородные линии выбрасываются с рандомной поляризацией.
    
3. Подключите RF‑сторону LNA к кабелю антенны через адаптер N‑SMA.
4. Подключите RTL‑SDR к RF+DC стороне LNA.
5. Подключите USB‑кабель высокого качества от RTL‑SDR к вашему ПК. Мы не рекомендуем использовать коаксиальный кабель длинее нескольких метров между LNA и RTL‑SDR для оптимизации уровней сигнала.
   1. Не используйте коаксиальный кабель между антенной и LNA. LNA должна быть напрямую подключена к выходу антенны.

Также имеет смысл защитить от влаги LNA и RTL‑SDR, если они держатся на улице. Это может быть просто: поместите их в пластиковый пакет или старую бутылку газировки, запечатанную герметично.

Настройка программного обеспечения

Чтобы обнаружить водородную линию, нужно использовать программное обеспечение, способное интегрировать/усреднять множество FFT‑образцов во времени. Усреднение образцов уменьшает квантование шума SDR, что позволяет увидеть слабый пик водородной линии. Поскольку галактика движется по небу довольно медленно, безопасно усредняйте 5–10 минут за один заход.

Для Linux существует множество программ. PICTOR и rtl-obs — хорошие варианты, но их настройка немного сложнее. Однако у них есть полезные функции, такие как возможность корректной калибровки результатов и интересные алгоритмы, которые могут увеличить SNR обнаружения водородной линии.

Для этого руководства мы сделаем настройку максимально простой и будем использовать Windows, с SDR# и плагином SDR# под названием “IF Average”. Также мы будем использовать бесплатную астрономическую программу Stellarium для отслеживания галактической плоскости Млечного Пути по небу.

Настройка Stellarium

1. Скачайте Stellarium с https://stellarium.org и загрузите версию для Windows кнопкой сверху.
2. Если вы открыли Stellarium днём, вы не увидите звёзд из-за моделирования атмосферы. Нажмите клавишу «a» на клавиатуре, чтобы отключить атмосферу.
3. Нажмите клавишу F4, чтобы перейти в настройки. Здесь рекомендуется увеличить яркость Млечного Пути до 6.0, чтобы он был явно виден.
4. Также рекомендуется перейти на вкладку « markings », и включить Azimuthal grid (Азимптальная сетка), что даст маркер к Zenith (прямо вверх в небе).
5. Проверьте отображаемое местоположение внизу слева. Если оно не подходит, нажмите F6, чтобы задать правильное местоположение.
6. Используйте колесо мыши или зум‑жесты, чтобы увидеть всё небо. Перетащите мышь так, чтобы камера смотрела на Zenith (прямо вверх).
7. Поскольку Stellarium по умолчанию запускается в полноэкранном режиме, нажмите F11, чтобы перейти в оконный режим.

Щелкнув по объекту внутри Млечного Пути или за ним, вы можете узнать галактические координаты того места, куда направлена ваша антенна. Это может быть полезно для сравнения с уже известными результатами, как показано здесь. Правый клик — удалить текстовую подсказку об этом объекте.

Настройка SDRSharp с плагином IF Average

Установка SDRSharp, драйверов Blog V3/V4 и плагина IF Average

0. Вы можете скачать программу SDR# с плагином IF Average, предустановленным по этой ссылке Dropbox. Её предоставляет доктор Даниэль Камински, автор плагина IF Average. Если вы скачаете этот zip‑архив, просто распакуйте его в папку на вашем ПК и запустите SDRsharp.exe. Если вы выполните этот шаг, можете перейти сразу к шагу 4. Либо начните с шага 1 и вручную скачайте и установите SDR# и плагин IF Average.

1. Download the latest v1920 or newer version of SDR# from https://airspy.com/downloads/sdrsharp-x86.zip. Set up SDR# and the RTL-SDR as described in the Quickstart Guide at www.rtl-sdr.com/QSG.
       
2. Download the IF average plugin. Daniel’s GitHub contains the latest files.

   To Download from GitHub, click the Green “Code” button, and the click “Download Zip”

3. Open the Zip file and go into the SDR_AVE_new-master\Release folder. Then copy the following files into your SDR# plugins folder from Daniel’s Releases GitHub folder:
    
   
   • MonoGame.Framework.dll
   • SDRSharp.Average.dll
   • SharpDX.DXGI.dll
   • SharpDX.Direct3D11.dll
   • SharpDX.dll 
      

   Download and copy the following files from the main SDR_AVE_new-master folder into the main SDR# directory.
    

   • ft2.xnb 
4. Download the latest beta version of SDRSharp.Average.dll and copy it into the SDR# plugins folder. This new beta version allows the background correction to be saved as a file so you don’t need to make a background correction everytime you start it up.

ПРИМЕЧАНИЕ: Если вышеописанное не работает, попробуйте установить плагин на более старой версии SDR#. Старые версии SDR# можно скачать по адресу https://www.iz3mez.it/software/SDRSharp. Мы тестировали старый плагин с SDRSharp v1727, и он работал хорошо.

Для старых версий SDR# сайт Даниэля содержит старую версию здесь (называемую AVE для SDR#). 

В качестве альтернативы, если возникли проблемы с сайтом плагина, устаревшая версия его плагина всё ещё доступна на его Dropbox. Перейдите в Download->Direct Download, чтобы скачать её на ваш ПК. Мы также решили зеркалировать плагин здесь на блог-сервере, на случай если файл Dropbox окажется недоступен. Для этих файлов вам понадобится более старая версия SDR#.

Приём и усреднение FFT водородной линии

1. Откройте SDR#, выберите RTL‑SDR, нажмите кнопку запуска.
    
2. Регулируйте ползунок Gain RF до максимума и установите флажок «Bias Tee». (Если вы используете более старую версию SDR#, выберите флажок «Offset Tuning», чтобы включить bias tee через взлом драйвера V3)
    
3. Настройтесь на 1420 МГц и используйте кнопку центрирования настройки, чтобы центрировать частоту (кнопка рядом с полем частоты в SDR#).
    
4. Включите плагин IF Aver, зайдя в меню ГАМБУРГЕР (гамбургер‑меню), и выберите Plugins -> IF Average.
    
5. Найдите плагин IF Average справа.
    
6. Мы использовали следующие настройки, которые дают время усреднения 6–7 минут (но более короткие времена усреднения, вероятно, тоже подойдут — попробуйте немного снизить динамическое усреднение):
   1. Разрешение FFT: 1024
   2. Промежуточное усреднение: 1000
   3. Усиление: ~335
   4. Уровень: 1000
   5. Динамическое усреднение: 902000
       
7.  Настройте оборудование для калибровки:
   1. (Рекомендовано) Направьте вашу тарелку на пустое место в небе (например, далеко от Млечного Пути).
   2. (Альтернативный метод) Подключите ваш LNA к 50‑ом терминатору для начальной калибровки. Если у вас нет терминатора на 50 Ом, просто отключите антенну.
8. Установите флажок “Window” и немедленно нажмите кнопку “Acq. Background” для генерации эталонного фонового скана. Этот скан будет вычитаться из последующих сканов, устраняя нежелательную изогнутую форму фильтров RTL‑SDR и LNA. Первый скан займет 6–7 минут.
     
9. После завершения фонового скана вы увидите надпись “Corrected background!” желтым цветом в левом верхнем углу окна усреднения FFT.
10. Теперь можно повторно подключить антенну.

    Совет: Если окно FFT Average постоянно исчезает за основным окном SDR#, выдвините основное окно SDR# вправо и перенесите окно IF Average влево, чтобы оно не накладывалось на SDR#.
     

11. Возможно, потребуется немного подрегулировать ползунки Gain и Level, чтобы график FFT появился на экране. Старайтесь держать Gain большим, так как это увеличивает FFT‑усиление и позволяет видеть малые пики более чётко.

На этом этапе вам осталось дождаться, когда Млечный Путь войдёт в ширину луча вашей антенны и наблюдать за пиком водородной линии. Программное обеспечение будет постоянно усреднять спектр.

Если вы хотите создать таймлапс, как GIF в верхней части поста, мы рекомендуем программу Chronolapse, которая делает скриншот каждые X минут. Затем вы можете преобразовать эти изображения в фильм или GIF. Плагин IF Average также может выводить файлы данных, которые можно использовать для дальнейшего анализа.

Если вы не выполняете калибровку, ваш спектр будет выглядеть довольно волнистым. Убедитесь, что вы не путаете эти волны с пиком водородной линии.

Пример результатов

Другие заметки

• Можно получить немного больший SNR, покрыв сеточную тарелку фольгой или металлической сеткой. Однако улучшение, судя по всему, очень малое, почти незаметное, так как WiFi‑фид является линейно поляризованным.
   
• Дальнейшее время интеграции/усреднения will spread the peak out more. Smaller integration times may result in less SNR.
• Вы можете поэкспериментировать с углом возвышения, который максимизирует время, проведённое, указывая на Млечный Путь в вашем регионе. Используйте Stellarium и функцию временного сдвига (F5, или CTRL+ClickDrag) для нахождения оптимального угла возвышения. Но меньшие углы возвышения более подвержены антропогенным помехам.
   
• Моторизованный антеннный монтируемый устройством позволил бы просканировать больше Млечного Пути за один день. Пример сборки из этого предыдущего поста здесь.

Источник:

• US$75 на Amazon
• рассмотрите наш новый продукт Discovery Dish,
• NooElec SAWBird H1 LNA
• NooElec SAWBird+ H1
• GPIO labs Hydrogen Line pre-filtered LNA
• RTL-SDR Blog wideband LNA
• Type N Male to SMA Male adapter
• high quality USB extension cable
• некоторый штатив
• 50 Ом терминатор
• PICTOR
• rtl-obs
• https://stellarium.org
• здесь показано
• Ссылка Dropbox
• https://airspy.com/downloads/sdrsharp-x86.zip
• Daniel’s GitHub
• Скачайте последнюю бета‑версию SDRSharp.Average.dll
• https://www.iz3mez.it/software/SDRSharp
• старшая версия здесь (называемая AVE для SDR#)
• доступна на Dropbox Даниэля
• Chronolapse