Durchgangsmessung (Cross-Scan) der Sonne

14.09.2018

Messung:
Durchgangsmessungen verwenden die durch die Erdrotation bewirkte Bewegung eines Objektes am Himmel. Da diese Bewegung sehr gleichmäßig verläuft, werden Störungen durch die Stell-Antriebe weitgehend ausgeschlossen. Ein großer Nachteil ist die benötigte Messzeit, da in einer Stunde lediglich ein Winkel von 15° zurückgelegt wird.
Für diese Aufnahmen wird zunächst die Position der Sonne bestimmt, die sie zu einem Zeitpunkt einige Minuten nach Beginn der Messung einnehmen würde. Anschließend wird der Reflektor auf diese Position ausgerichtet und in Azimut-Richtung fixiert. Das empfangene Signal wird in vorgebenenen Zeitabschnitten ermittelt und gespeichert. 
In der ersten Messung wurde mit einem Vorlauf von 10 Minuten und einem Abstand von 1 Sekunde über einen Zeitraum von 25 Minuten gemessen, diese Messung enthielt somit 1500 Messpunkte. 
Zur Überprüfung wurde in einer zweiten Messung über einen Zeitraum von 45 Minuten mit jeweils 10 Sekunden Abstand und einem Vorlauf von 20 Minuten ein weiterer Scan aufgenommen. Der Plot rechts zeigt die Rohdaten der zweiten Messung für den Verlauf der Signalintensität mit insgesamt 270 Messpunkten.
Positionierung:
Während der Messung bewegt sich die Sonne auf einem Bogen, das heißt, sowohl Elevation als auch Azimut ändern sich. Bei einem fest auf einen Fixpunkt ausgerichteten Reflektor bewegt sich die Quelle deshalb nicht horizontal durch den Beobachtungsbereich, sondern beschreibt dort ebenfalls einen Bogen (oberes Bild rechts).
Um Verfälschungen des Messsignals durch Asymmetrien der Reflektorgeometrie (Haltestangen des Primärfokus, fehlerhafte Fokussierung des Empgangsdipols) auszuschließen, wurde deshalb die Elevation während der Messung nachgeführt. Dies führt dazu, dass das Objekt sich scheinbar horizontal durch den Beobachtungsbereich bewegt (unteres Bild rechts). Dies führt allerdings dazu, dass die scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Quelle mit dem Elevationswinkel variiert. Dieser Effekt kann aber entweder zurückgerechnet oder bei hinreichend kurzen Messzeiten sogar vernachlässigt werden.

Beam-Angle:
Die Sonne ist zwar mit einem scheinbaren Winkel von 0,54° recht klein, stellt aber im Vergleich zum Beam-Angle des Reflektors von 3,9° keine punktförmige Signalquelle dar. Das ungefähre Verhältnis der beiden Winkel zeigt der hellblaue Kreis in der Abbildung rechts. Das hat zur Folge, dass der Signalpegel bereits ansteigt, wenn die Quelle in den Beam-Angle eintritt und dann allmählich bis zu einem Maximum ansteigt. Bei einem symmetrischen Verhalten des Reflektors sollte die sich ergebende Kurve spiegelsymmetrisch sein. 

Vergleichsmessung:
Eine vergleichbare Messung wurde auch mit einem Reflektor gleicher Bauart in Effelsberg durchgeführt (S. Schweikert, MPIfR, 06.03.2018). Hier wurde jedoch nicht die Eigenbewegung der Sonne für den Scan verwendet, sondern der Reflektor wurde innerhalb von 30 Sekunden gleichmäßig über die Quelle geführt. Das Grundrauschen liegt hier bei 200 000 SKt, der Peak erreicht ca. 1 900 000 SKt. Man erkennt bereits bei einem groben Vergleich mit der oben gezeigten Messung weitgehende Übereinstimmungen.
Auswertung:
Bei den ersten beiden Messungen ergeben sich geringfügig abweichende Werte für das Grundrauschen (1,746 V bzw. 1,611 V) und die Peakamplitude (9,63 V bzw. 8,97 V). Diese sind wahrscheinlich auf Temperaturänderungen der Auswertungselektronik zurückzuführen.
Die Messung aus Effelsberg verwendet ein anderes Messgerät, sodass die Hochachse eine gänzlich andere Skalierung aufweist (man beachte, dass die Hochachse um den Rauschpegel nach unten verschoben ist).
Normiert man jedoch diese drei Messungen, erkennt man eine sehr hohe Übereinstimmung der ersten beiden Messungen (grüne und blaue Messkurve) und eine immer noch recht hohe Übereinstimmung mit der Messung aus Effelsberg (gestrichelte schwarze Linie). Die ersten beiden Messungen sind punktsymmetrisch um den Peak, die Messung aus Effelsberg ist auf der rechten Flanke etwas aufgeweitet (da sich die Sonne in den 30 Sekunden lediglich um 0,1° bewegt hat, kann dies nicht  auf die Eigenbewegung der Sonne während der Messung zurückzuführen sein, denkbar wäre evt. eine Verzerrung durch die Zeitkonstante des verwendeten Integrators, was auch den etwas verzögerten Anstieg auf der linken Flanke erklären würde).
Bestimmt man die Halbwertsbreite, so ergibt sich ein Wert von 4,3°. Im Vergleich zum Beam-Angle von 3,9° ist dieser Wert um 0,4° größer als erwartet, was durch den scheinbaren Winkel der Quelle von 0,54° verursacht wird. Diese Messungen bestätigen somit weitgehend den berechneten Beam-Angle.
Einstellungen:
Positionierung: Azimut fest eingestellt auf Vorlauf +10 (+20) Minuten, Elevation automatisch nachgeführt, 
Peak bei H: 138° (160°), E: 33° (36°)
Messbeginn am 14.09.2018 um 10:48 (11:56), Messdauer: 25 (45) Minuten
Reflektor: 380 cm-Radioteleskop der Sternwarte Südheide, Gain: 35 dB bei 1420 MHz
Antenne: Kreuzdipol mit Feedhorn, abgestimmt auf 1420 MHz, Polarisation: keine (H- und V-Dipol mit ZAPD-23 summiert)
Vorverstärker: Modul1-PreAmp-1445, Gain: 37 dB bei 1420 MHz, Bandbreite: 1350 - 1450 MHz
Messgerät: SpectraCyber, Eingangsempfindlichkeit: -120 dBm, HF-Gain: 10 dB, DC-Gain: x1, DC-Offset: 0 mV, Integrationszeit: 0,3 s
Gesamtverstärkung: 200 dB (Reflektor: 35 dB, HF-Anlage: 165 dB)