ドップラーレーダー
Type of radar equipment
米陸軍兵士がドップラーレーダーの応用であるレーダーガンを使用して速度違反者を捕まえている。

ドップラーレーダーは、ドップラー効果を利用して遠距離にある物体の速度データを生成する特殊なレーダーです。 [1]マイクロ波信号を目標物に反射させ、物体の動きが反射信号の周波数にどのように変化をもたらしたかを分析することで速度データを生成します。この変化により、レーダーに対する目標物の速度の半径方向成分を直接かつ高精度に測定できます。この用語は、航空、警察のレーダー探知機、航法、気象など、 多くの分野のレーダーシステムに適用されます。

コンセプト

ドップラー効果

車に向けて発射された信号は、レーダーに近づく/遠ざかる速度（時速160km）に応じて周波数が変化しながら反射されます。これは実際の速度（時速170km）の一部にすぎません。

ドップラー効果（またはドップラー偏移）は、1842年に提唱したオーストリアの物理学者クリスチャン・ドップラーにちなんで名付けられ、波の発生源に対して相対的に移動する観測者にとって、観測される波の周波数と放射される周波数の差です。これは、サイレンを鳴らしている自動車が観測者に近づき、通り過ぎ、遠ざかるときによく聞こえます。受信周波数は（放射される周波数と比較して）接近中は高く、通り過ぎる瞬間は同じで、遠ざかるときには低くなります。この周波数の変化は、波源が観測者に対して移動する方向によっても異なります。波源が観測者に向かってまっすぐまたは遠ざかるときに周波数は最大になり、移動方向と波の方向との間の角度が大きくなるにつれて周波数は減少し、波源が観測者に対して直角に移動する場合には偏移はなくなります。

野球のピッチャーがキャッチャーに毎秒1球ずつボールを投げていると想像してください（1秒あたり1球の頻度）。ボールが一定速度で移動し、ピッチャーが静止していると仮定すると、キャッチャーは毎秒1球ずつボールを捕球します。しかし、ピッチャーがキャッチャーに向かってジョギングしている場合、ボールの間隔が狭いため、キャッチャーはより頻繁にボールを捕球します（頻度が増加します）。ピッチャーがキャッチャーから離れる場合は逆のことが起こります。ピッチャーが後方に移動するため、キャッチャーはボールを捕球する頻度が少なくなります（頻度が減少します）。ピッチャーが斜めに動いても同じ速度であれば、両者の距離の変化が緩やかになるため、レシーバーがボールを捕球する頻度の変化は小さくなります。

ピッチャーの視点から見ると、周波数は一定です（ボールを投げているときも、マイクロ波を送信しているときも）。マイクロ波や音波などの電磁波では、周波数は波長に反比例するため、波の波長も影響を受けます。したがって、発生源と観測者との間の相対的な速度差がドップラー効果を生み出します。[2]

周波数変動

ドップラー効果:発生源の動きによって引き起こされる波長と周波数の変化。

レーダードップラーシフトの式は、動く鏡による光の反射の式と同じです。[3]すべての観測は同じ参照フレームで行われるため、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論を参照する必要はありません。 [4]光速をc、目標の視線速度をvとして導出される結果は、シフトされた周波数（）を元の周波数（ ） の関数として与えます。 f r {\displaystyle f_{r}} f t {\displaystyle f_{t}}

f r = f t ( 1 + v / c 1 − v / c ) {\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {1+v/c}{1-v/c}}\right)}

これは次のように単純化される

f r = f t ( c + v c − v ) {\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {c+v}{c-v}}\right)}

「ビート周波数」（ドップラー周波数）（）は次のように表される：[5] f d {\displaystyle f_{d}}

f d = f r − f t = 2 v f t ( c − v ) {\displaystyle f_{d}=f_{r}-f_{t}=2v{\frac {f_{t}}{(c-v)}}}

レーダーのほとんどの実用的な用途では となるため、となります。したがって、次のように書くことができます。 v ≪ c {\displaystyle v\ll c} ( c − v ) → c {\displaystyle \left(c-v\right)\rightarrow c}

f d ≈ 2 v f t c {\displaystyle f_{d}\approx 2v{\frac {f_{t}}{c}}}

テクノロジー

ドップラー効果を発生させる方法は4つあります。レーダーには以下のようなものがあります。

ドップラーレーダーでは、低速移動物体や静止物体からの信号を低減または除去する狭帯域受信フィルタを使用できます。これにより、樹木、雲、昆虫、鳥、風などの環境要因によって生成される誤った信号を効果的に除去できますが、これを使用しない安価な携帯型ドップラーレーダー機器では、誤った測定値を生成する可能性があります。

CWドップラーレーダーは、目標から受信した信号と元の信号の周波数を比較することで速度のみを出力します。初期のドップラーレーダーはCW方式を採用していましたが、これはすぐに周波数変調連続波（FMCW）レーダーの開発につながり、送信周波数をスイープすることで符号化・距離測定を行うようになりました。

デジタル技術の出現により、パルスドップラーレーダー(PD) は航空機に使用できるほど軽量になり、コヒーレントパルスレーダー用のドップラープロセッサがより一般的になりました。これにより、ルックダウン/シュートダウン機能が提供されます。ドップラー処理とパルスレーダーを組み合わせる利点は、正確な速度情報を提供できることです。この速度はレンジレートと呼ばれます。これは、ターゲットがレーダーに近づいたり遠ざかったりする速度を表します。レンジレートのないターゲットは、送信周波数に近い周波数を反射するため、検出できません。典型的なゼロドップラーターゲットは、レーダーアンテナビームに接線方向の方向にあるターゲットです。基本的に、アンテナビームに対して 90 度方向を向いているターゲットは、速度では検出できません (従来の反射率によってのみ検出できます)。

超広帯域波形は、その低平均電力、高解像度、そして物体透過能力から、ドップラー処理への潜在的なアプローチとして米国陸軍研究所（ARL）によって研究されてきました。UWBレーダー技術にドップラー処理を組み込んで、プラットフォームが静止している状態で移動する目標の速度を推定できるかどうかの実現可能性を調査していたARLの2013年の報告書では、目標距離の移動に関する問題が強調されました。[6]しかし、研究者たちは、適切な整合フィルタを使用することでこれらの問題を軽減できることを示唆しています。[7]

軍用航空機におけるドップラー効果には、主に2つの利点があります。第一に、レーダーは対抗手段に対する耐性が高くなります。天候、地形、チャフなどの対抗手段からの反射信号は、探知される前にフィルタリングされるため、過酷な環境下におけるコンピューターとオペレーターの負荷が軽減されます。第二に、低高度の目標に対しては、視線速度フィルタリングが、常にゼロ速度となる地上クラッターを除去する非常に効果的な方法です。敵レーダーの追跡捕捉に対する対抗手段を備えた低空飛行の軍用機は、敵レーダーに対して垂直に旋回することでドップラー周波数をゼロにすることができます。これにより、通常はロックが解除され、はるかに大きな地上反射に隠れることでレーダーを撃退することができます。

歴史

AN/APN-81 ドップラーレーダー航法システム、1950年代半ば

ドップラーレーダーは、重いパルスハードウェアを必要としないため、軽量化が図られる傾向があります。付随するフィルタリングにより、定常反射を除去しながら、より長い時間範囲にわたって信号を積分できるため、距離性能が向上し、消費電力も削減されます。軍は1940年代にこれらの利点を活用しました。

連続放送型（FM）レーダーは、第二次世界大戦中にアメリカ海軍の航空機向けに夜間戦闘作戦を支援するために開発されました。ほとんどのレーダーはUHF帯を使用し、左舷翼に送信八木アンテナ、右舷翼に受信八木アンテナを備えていました。これにより、爆撃機は艦船目標への接近時に最適な速度で飛行することができ、夜間作戦時には護衛戦闘機が敵機に砲を向けることができました。これらの戦略は、セミアクティブ・レーダー・ホーミングにも応用されました。

1951 年、Carl A. Wiley は 合成開口レーダーを発明しました。これは、主流のドップラー レーダーとは異なりますが、ドップラーの原理に基づいており、当初は「パルス ドップラー レーダーの方法と手段」として特許を取得しました (特許番号 3,196,436)。

現代のドップラーシステムは、歩兵や水上艦艇による移動式地上監視に十分な軽量性を備えています。夜間や全天候型戦闘作戦において、車両や人員の動きを検知します。現代の警察レーダーガンは、これらのシステムの小型化、携帯性を向上させたものです。[8] [9]

初期のドップラーレーダー装置は、許容できる性能を得るために大型のアナログフィルタに依存していました。アナログフィルタ、導波管、増幅器はマイクロフォンのように振動を拾うため、大型の振動減衰装置が必要でした。この余分な重量により、許容できない運動性能の制限が生じ、1970年代まで、航空機の使用は夜間運用、悪天候、そして電波妨害が激しい環境に限られていました。

デジタル高速フーリエ変換（FFT）フィルタリングは、1970年代に現代的なマイクロプロセッサが利用可能になったことで実用化されました。これはすぐにコヒーレントパルスレーダーに接続され、速度情報が抽出されました。これは気象レーダーと航空管制レーダーの両方で有用であることが証明されました。速度情報はソフトウェアトラッカーへの新たな入力として提供され、コンピュータによる追跡性能を向上させました。ほとんどのコヒーレントパルスレーダーは、範囲を最大化する低いパルス繰り返し周波数（PRF）のため、ドップラー処理の量は限られています。ドップラープロセッサは± ⁠までの速度しか処理できません。1/2⁠レーダーのPRF（相対周波数）です。これは気象レーダーでは問題になりません。サンプリングによって測定範囲が時速約75マイルに制限されるため、低PRFレーダーから航空機の速度情報を直接抽出することはできません。

デジタル技術が軽量化され、より手頃な価格になると、専用のレーダーが急速に開発されました。パルスドップラーレーダーは、長距離と高速機能の利点をすべて兼ね備えています。パルスドップラーレーダーは中～高 PRF (3～30 kHz 程度) を使用し、高速ターゲットの検出または高解像度の速度測定のいずれかを可能にします。通常はどちらか一方です。0 からマッハ2 までのターゲットを検出するように設計されたレーダーは速度に関して高い解像度を備えておらず、高解像度の速度測定用に設計されたレーダーは速度の範囲が広くありません。気象レーダーは高解像度の速度レーダーであり、防空レーダーは速度検出の範囲が広いですが、速度の精度は数十ノットです。

CWおよびFM-CW用のアンテナ設計は、手頃な価格のマイクロ波設計が登場する以前は、送信アンテナと受信アンテナが別々に設計されていました。1960年代後半には、単一アンテナを使用する交通レーダーの製造が開始されました。これは、円偏波とXバンドで動作するマルチポート導波管セクションの使用によって可能になりました。1970年代後半には、直線偏波と、XバンドとKバンドの両方でフェライトサーキュレータの使用へと変化しました。PDレーダーは、送受信用のガス充填スイッチを使用するにはPRFが高すぎるため、ほとんどのレーダーでは、送信機の作動時に受信機の低雑音増幅器を保護するために ソリッドステートデバイスを使用しています。

アプリケーション

ドップラーレーダーは、航空、探査衛星、メジャーリーグベースボールのStatCastシステム、気象学、レーダーガン、[10] 放射線医学およびヘルスケア（転倒検知[11]およびリスク評価、看護または診療目的[12]）、およびバイスタティックレーダー（地対空ミサイル）に使用されています。

天気

米国気象局の最初の実験的なドップラー気象レーダー装置は、1950年代に米国海軍から入手された。

テレビの気象予報士が放送中の天気予報で「ドップラーレーダー」という用語をよく使用しているため、この用語は気象学で使用されるレーダーの種類と誤って同義語として広く認識されてきました。現代の気象レーダーのほとんどは、降水の動きを調べるためにパルスドップラー技術を用いていますが、これはデータ処理の一部に過ぎません。[13] [14]そのため、これらのレーダーは高度に特殊化されたドップラーレーダーを使用していますが、このタイプのレーダーの意味と用途ははるかに広範です。

気象レーダーにおけるドップラー機能の研究は、多くの国で長い歴史を持っています。1958年6月、アメリカの研究者デビッド・ホームズとロバート・スミスは、移動型連続波レーダー（右の写真）を用いて竜巻の回転を検知しました。後に国立暴風雨研究所（NSSL）となるノーマンの研究所は、このレーダーをパルスドップラーレーダーに改造し、エコーの位置をより容易に把握できるようになり、出力も向上しました[15]。

この研究は、1974年にアメリカ合衆国で発生したスーパーアウトブレイク（竜巻148個が13州を襲った）のような出来事の後、加速しました。当時の反射型レーダーでは、雷雲の降水構造は特定できましたが、竜巻やダウンバーストの発生につながるメソサイクロンの回転や風向の発散は検出できませんでした。NSSLドップラーは1971年に運用を開始し、1980年代末にはNEXRADネットワークが展開されました。 [16]

国立電子博物館のドップラー航法システム

ドップラーレーダーは、航空機や宇宙船の航法補助装置として利用されました。レーダーで地表の動きを直接測定し、それを航空機の計器から返される対気速度と比較することで、初めて風速を正確に測定できるようになりました。この値は、その後、高精度の推測航法に利用されました。こうしたシステムの初期の例としては、イングリッシュ・エレクトリック・キャンベラに搭載されたグリーンサテン・レーダーが挙げられます。このシステムは、非常に低い繰り返し周波数でパルス信号を送信するため、1つのアンテナで送受信を行うことができます。発振器は、受信信号と比較するための基準周波数を保持します。実際には、最初の「位置特定」は、通常はGeeと呼ばれる無線航法システムによって行われ、その後、グリーンサテン・レーダーはGeeの350マイル（約560キロメートル）を超える長距離航法において、正確な航法を提供しました。同様のシステムは当時の多くの航空機に使用され、[17] 1960年代までに戦闘機の主要な捜索レーダーに統合されました。

ドップラー航法は、1960年代には慣性航法システムに大部分取って代わられるまで、民間航空で広く使用されていました。この装置は、送受信ユニット、処理ユニット、ジャイロ安定化アンテナ プラットフォームで構成されていました。アンテナは 4 つのビームを生成し、サーボ機構によって回転して、左右のアンテナからのドップラー シフトを等しくすることで航空機の航跡に合わせました。シンクロによってプラットフォームの角度が操縦室に送信され、「ドリフト角」の測定値が得られました。対地速度は、前方ビームと後方ビーム間のドップラー シフトから決定されました。これらは、操縦室の 1 つの計器に表示されました。[出典が必要] 一部の航空機には追加の「ドップラー コンピュータ」が搭載されていました。これは、ドップラーで決定された対地速度によって速度が制御されるモーターによって回転する鋼球を含む機械装置でした。このモーターの角度は、「ドリフト角」によって制御されました。 2つの固定車輪、1つは前後、もう1つは左右に動かすもので、これらの車輪がカウンターを駆動し、航跡に沿った距離と航跡の差を出力した。航空機のコンパスはコンピュータに統合されており、水上大円航路上の2つのウェイポイント間に希望の航跡を設定できた。21世紀の読者には意外に思えるかもしれないが、実際にはかなりうまく機能し、当時利用可能な他の「推測航法」方法を大幅に改善した。通常はロラン、VOR、NDBからの位置測定でバックアップされ、最後の手段として六分儀とクロノメーターも使用された。VORまたはNDBが2つあれば、数マイルの誤差で大西洋を横断することが可能だった。実際のところ、この方法の大きな欠点は海況だった。穏やかな海ではレーダー反射が悪く、ドップラー測定の信頼性が低かった。しかし、北大西洋ではこのような状況は稀だった[要出典]。

軌跡ベースのナビゲーション

位置ベースのドップラー技術は、衛星送信機と地上受信機を用いた米国海軍の歴史的なトランジット衛星航法システムでも使用されており、現在では衛星受信機と地上送信機を使用する民間のアルゴスシステムでも使用されている。これらの場合、地上局は静止しているか低速で移動しており、測定されるドップラーオフセットは地上局と高速で移動する衛星との相対的な動きによって生じる。ドップラーオフセットと受信時間の組み合わせを使用して、その瞬間に地球の表面と交差する測定オフセットを持つ位置の軌跡を生成することができる。これを他の時間の測定値から得られた他の軌跡と組み合わせることで、地上局の真の位置を正確に決定することができる。[要出典]

無人航空機の検出

ドップラー情報の利用例としては、小型無人航空機の検知と分類が挙げられます。超高周波で動作するレーダーシステムは、一定のコヒーレント処理間隔において、ドップラー分解能が向上します。[18]この分解能の向上により、マイクロドップラーシグネチャ（MDS）へのアクセスが可能になります。マイクロドップラーとは、ターゲットの構造部品の振動運動によって引き起こされるドップラー変調を指し、バルクドップラーとは、ターゲット全体の動きに関連するものです。[19]通常、UAVは回転ブレードを備えており、特徴的なMDSを生成することで、UAVと鳥などの他の空中物体との効果的な識別を可能にします。[20]

参照

参考文献

  1. ^ Wragg, David W. (1973). 『航空辞典』（初版）. Osprey. p. 112. ISBN 9780850451634。
  2. ^ CopRadar.com -- Sawicki Enterprisesの子会社（1999–2000年）。「ドップラー原理（警察交通レーダーハンドブック）」。CopRadar.com -- Sawicki Enterprisesの子会社。 2009年7月17日閲覧。
  3. ^ ディッチバーン, RW (1991) [1961].ライト. ニューヨーク: ドーバー出版. pp. 331-333. ISBN 0486666670。
  4. ^ Jaffe, Bernard M. (1973年4月). 「動く鏡による光の前方反射」 . American Journal of Physics . 41 (4): 577– 578. Bibcode :1973AmJPh..41..577J. doi :10.1119/1.1987292.
  5. ^ Ridenour, Louis N. (1947). レーダーシステム工学. MIT放射線研究所シリーズ. 第1巻. ニューヨーク: McGraw-Hill. p. 629.
  6. ^ Dogaru, Traian (2013年3月). 「超広帯域（UWB）インパルスレーダーによるドップラー処理」（PDF） .米国陸軍研究所.
  7. ^ Dogaru, Traian (2018年1月1日). 「超広帯域（UWB）レーダーによるドップラー処理の再考」(PDF) .米国陸軍研究所– 国防技術情報センター経由.
  8. ^ 「地上監視レーダー班」第1大隊第50歩兵連隊。
  9. ^ 「AN/SPG-51 砲・ミサイル火器管制レーダー」. Jane's Information Group. 2013年1月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月15日閲覧。
  10. ^ CopRadar.com -- Sawicki Enterprisesの子会社 (1999–2000). 「警察交通レーダー」. CopRadar.com -- Sawicki Enterprisesの子会社. 2009年7月17日閲覧。
  11. ^ Liu, L; Popescu, M; Skubic, M; Rantz, M; Yardibi, T; Cuddihy, P (2011). 「ドップラーレーダーのモーションシグネチャに基づく自動転倒検知」.第5回国際ICST医療向けパーベイシブ・コンピューティング技術会議議事録. IEEE PervasiveHealth. pp.  222– 225. doi : 10.4108/icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN 978-1-936968-15-2. S2CID  14786782。
  12. ^ Mercuri, M.; Soh, PJ; Pandey, G.; Karsmakers, P.; Vandenbosch, Guy AE; Leroux, P.; Schreurs, D. (2013). 「健康モニタリングのための屋内バイオメディカルレーダーベースシステムの分析」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 61 (5): 2061– 2068. Bibcode :2013ITMTT..61.2061M. doi :10.1109/tmtt.2013.2247619. ISSN  0018-9480.
  13. ^ 「気象レーダーとは何か？ 究極ガイド」www.ibm.com . 2023年3月3日閲覧。
  14. ^ 「ドップラー速度パターンの解釈ガイド」www.nssl.noaa.gov . 2023年3月3日閲覧。
  15. ^ Brown, Rodger A.; Lewis, John M. (2005年10月). 「国立暴風雨研究所におけるNEXRADドップラーレーダー開発への道」アメリカ気象学会誌. 86 (10). AMS : 1459–1470 . Bibcode :2005BAMS...86.1459B. doi : 10.1175/BAMS-86-10-1459 .
  16. ^ 「NSSL最初の40年間の気象レーダーハイライト」国立暴風雨研究所。 2021年1月30日閲覧。
  17. ^ ジョン・バリー、「ドップラー航法装置の開発」、CRC友の会、1973年9月17日
  18. ^ Rahman, S.; Robertson, DA; et al. (2021). 「第3章 ミリ波レーダーのUAV検知・分類への応用」Clemente, Carmine編著『無人航空機に対するレーダー対抗手段』ロンドン：工学技術協会、pp.  63– 106. ISBN 9781839531910。
  19. ^ V. Chen、「レーダーにおけるマイクロドップラー効果」、第2版（Norwood、MA：Artech、2019年）。
  20. ^ S. RahmanとDA Robertson、「KバンドとWバンドにおけるドローンと鳥のレーダーマイクロドップラーシグネチャ」、Scientific Reports、第8巻、17396ページ（2018年）。https://doi.org/10.1038/s41598-018-35880-9

さらに読む

  • ラック、デイビッド・GC（1949）『周波数変調レーダー』ニューヨーク：マグロウヒル。
  • Liu, L; Popescu, M; Skubic, M; Rantz, M; Yardibi, T; Cuddihy, P (2011). 「ドップラーレーダーによる動きに基づく自動転倒検知」.第5回国際医療パーベイシブ・コンピューティング技術会議議事録. アイルランド、ダブリン. pp.  222– 225. doi : 10.4108/icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN 978-1-61284-767-2。
  • 連続波ドップラーレーダーで使用されるドップラーシフトの説明
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