Durchgangsmessung (Cross-Scan) des Mondes

27.09.2018

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 des Mondes bestimmt, die er 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 dieser Messung wurde über einen Zeitraum von 43 Minuten mit jeweils 10 Sekunden Abstand und einem Vorlauf von 20 Minuten ein Scan aufgenommen. Der Plot rechts zeigt die Rohdaten der Messung für den Verlauf der Signalintensität mit insgesamt 253 Messpunkten.
Positionierung:
Während der Messung bewegt sich der Mond 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 Mond 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. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass auch Signale aus dem Hintergrund mitgemessen werden.

Auswertung:
Die Signaländerung zwischen Grundrauschen und Signal-Peak beträgt lediglich 0,4 (von 10) Skalenteilen, dennoch ist der Peak-Verlauf wegen des guten Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR ~ 20 dB) deutlich erkennbar. Das Grundrauschen ist unter anderem vom Horizontabstand abhängig, daher nimmt dieses mit zunehmendem Elevationswinkel ab. Da das Signal recht schwach ist, machen sich Veränderungen im Grundrauschen deutlich bemerkbar. 
Bestimmt man die Halbwertsbreite, so ergibt sich ein Wert von 4,1°. Im Vergleich zum Beam-Angle von 3,9° ist dieser Wert um 0,2° größer, was durch den scheinbaren Winkel der Quelle von 0,54° verursacht wird.
Hintergrundsignal:
Die Abbildung rechts zeigt eine mehrfache spektrale Aufnahme in der Umgebung des Mondes am 19.09.2018 (HF-Gain: 15 dB, DC-Gain: x5, DC-Offset: 270 0 mV, Schrittweite: 30 kHz, Integrationszeit: 0,3 s, Sample-Zeit: 0,5 s). Deutlich erkennt man den typischen Verlauf eines leicht rot-verschobenen H1-Wasserstoff-Spektrums. Das lässt darauf schließen, dass in der beobachteten Region neben dem Mond auch interstellare Gaswolken einen nennenswerten Beitrag zur Radiostrahlung leisten können. 
Da der scheinbare Winkel des Mondes mit 0,54° erheblich kleiner ist als der Beam-Angle des Reflektors, iiegt sein Flächenbeitrag zur Gesamtleistung bei lediglich 2 %. Das hohe Grundrauschen in der Aufnahme oben wird deshalb vor allem durch die Strahlung des Wasserstoffs verursacht. 
Daraus lässt sich folgern, dass Messungen des Mondes am besten zu einer Zeit durchgeführt werden sollten, bei der er sich in einer Position befindet, wo nur eine geringe Wasserstoffdichte unserer Milchstraße zu messen sein wird.
Einstellungen:
Positionierung: Azimut fest eingestellt auf Vorlauf +20 Minuten, Elevation automatisch nachgeführt
Peak bei H: 109,4° , E: 27,6° um 23:20
Messbeginn am 27.09.2018 um 23:02, Messdauer: 43 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: 15 dB, DC-Gain: x10, DC-Offset: 3900 mV, Integrationszeit: 1 s, Sample-Zeit: 10 s
Gesamtverstärkung: 207 dB (Reflektor: 35 dB, HF-Anlage: 172 dB)