ドップラー無線方向探知

ドップラー無線方向探知（ドップラーDF）は、最小限の電子機器で正確な方位情報を生成する無線方向探知方式です。VHFおよびUHF周波数帯での用途に最適で、方向を示すのに短時間しかかかりません。そのため、商業放送、アマチュア放送、自動放送のほとんどにおいて、位置測定に適しています。ドップラーDFは最も広く使用されている方向探知方式の一つです。他の方向探知方式は、一般的に、瞬間的な信号や、波長が長いまたは短い信号にのみ使用されます。

ドップラーDFシステムは、ドップラー効果を利用して、移動する受信アンテナが音源に近づいているのか、それとも遠ざかっているのかを判定します。初期のシステムでは、回転ディスクに取り付けられたアンテナを用いてこの動きを作り出していました。現代のシステムでは、アンテナは物理的に移動されるのではなく、複数のアンテナを高速に切り替えることで電子的に方向付けられます。切り替えが高速に行われる限り、ドップラー効果は信号の方向を判定するのに十分な強さになります。このバリエーションは擬似ドップラーDF、またはシーケンシャル位相DFと呼ばれます。この新しい技術は非常に広く使用されているため、多くの参考文献ではドップラーDFとして言及されることが多いです。^{[ 1 ]}

方向探知

初期の無線方向探知（RDF）ソリューションでは、受信パターンに鋭い「ヌル」を持つ指向性の高いアンテナが使用されていました。^{[ 2 ]}オペレーターはアンテナを回転させ、信号が最大に達する点、あるいはより一般的には突然消える、つまり「ヌル」になる点を探しました。一般的なRDFアンテナ設計はループアンテナで、これは円の中に小さな隙間がある単純なループ状のワイヤで、通常は隙間を底にして垂直軸を中心に回転するように配置されています。^{[ 3 ]}一部のシステムでは、ループアンテナの代わりにダイポールアンテナが使用されていました。1930年代以前は、無線信号は一般的に長波スペクトルでした。これらの信号を効果的に受信するには、非常に大きなアンテナが必要です。回転アンテナによる方向探知は、アンテナに必要なサイズが大きいため、これらの波長では困難です。^{[ 4 ] [ 5 ]}

RDF技術の大きな進歩は、ベリーニ・トーシ方向探知機（BT）システムの形で導入された。このシステムでは、アンテナの回転を、2つの固定ループアンテナに接続された小さなコイル状の電線の回転に置き換えた。ループアンテナは以前のシステムで使用されていたものと類似していたが、位置が固定されており、互いに直角に配置されて十字型に配置されている。各アンテナは異なる出力を生成し、その相対的な強度は、信号がいずれかのアンテナのヌルにどれだけ近いかによって決まる。これらの信号は、やはり直角に配置された2つの電線コイル（フィールドコイル）に送られる。これらは、ソーダ缶程度の大きさのはるかに小さな空間で元の信号を再現する。2つの交差したフィールドコイルの間の空間で、小さなループアンテナ（センスコイル）を回転させることによって、DFを実行することができる。実質的に、このシステムは従来の技術をはるかに小さな規模で再現し、メインアンテナを任意のサイズで構築できるようにした。^{[ 6 ]}

ロバート・ワトソン＝ワットは、方向探知における次の大きな進歩、高周波方向探知システム（HF/DF）を導入した。これは「ハフダフ」とも呼ばれた。HF/DFも交差アンテナ（多くの場合アドコックアンテナ）を使用していたが[ ^{7 ] 、}その出力はオシロスコープの2つのチャンネルに送られた。2つの信号の相対的な強度と位相によって、オシロスコープの電子ビームのX座標とY座標がそれぞれ異なる量だけ偏向し、画面上に楕円形または8の字形が表示され、長軸が信号の方向を示した。^{[ 8 ]}読み出しはほぼ瞬時に行われ、短い送信でも容易に検出できた。HF/DFは、成功したUボート撃沈の約4分の1で使用された^{[ 9 ]。}

どちらのシステムにも欠点があります。ベリーニ・トーシ方式は、小型ではあるものの可動部品が依然として存在し、オペレーターが信号を探す必要があり、数分かかるという大きな制約があります。HF/DF方式は信号の方向を直接かつ即座に示しますが、オシロスコープなどの応答速度が同等のディスプレイシステムが必要になります。どちらも、互いによく適合した受信機と増幅器を2台必要とし、センスアンテナを使用する場合は3台目が必要になることも少なくありません。^{[ 10 ]}

ドップラー効果

トラックの屋根のような動くプラットフォームにアンテナを設置すると、トラックの動きによってドップラー効果が発生し、トラックが信号に近づくと信号の周波数が上昇し、遠ざかると周波数が下降します。トラックが信号に対して直角に走行しているとき、または全く動いていないときは、周波数シフトは発生しません。^{[ 11 ]}トラックが円形のトラックを走行する場合、信号に近づいたり、遠ざかったり、直角に動いたりすることがあります。これにより、ターゲット信号の周波数が上昇および下降し、ドップラー正弦波と呼ばれる周波数変調(FM) 信号が生成されます。^{[ 12 ]} FM 信号の周波数は車両の回転速度と同じです。^{[ 11 ] [ 13 ]}

シフトの大きさは、信号の波長とアンテナの 角速度の関数です。

S = ⁠r W/λ⁠

ここで、Sは周波数（Hz）でのドップラーシフト、rは円の半径、Wはラジアン/秒での角速度、λは目標波長、cはメートル/秒での光の速度です。^{[ 13 ]}より一般的な単位に変換すると：

Hzをラジアン/秒に変換するには、6.28（2π）を掛けます。

MHzをHzに変換するには、100万倍します。

光速はc = 300 × 10 ⁶と近似されます。メートル/s⁠

定数を消去すると、⁠6.28 × 10 ⁶/300 × 10 ⁶⁠ = ⁠1/0.02093...⁠ ≈ 48

つまり：

S ≈ ⁠r F _r F _c/48⁠

ここで、Fr_は回転周波数（Hz）、Fc_は目標周波数（MHz）である。^{[ 13 ] [ a ]}

101.5MHzのFMラジオ局を捕捉しながら、幅100メートル（330フィート）のパッド（半径50メートル（160フィート））の周囲を時速25キロメートル（16マイル）で走行するトラックの例を考えてみましょう。パッドの円周は2π × 50メートル（314メートル）で、速度は25です。キロ/h⁠ = 25 × 1000 ⁠メートル/キロ⁠ / 60 ⁠h/分⁠ / 60 ⁠分/s⁠ ≈ 7  ⁠メートル/s⁠なので、トラックは314 / 7 = 45秒で1周します。したがって、 F _rは1 ⁄ 45です。これを上記の式に代入すると、周波数シフトは次のようになります。

S = ⁠50 × 0.0222... × 101.8/48⁠ = 2.4 Hz

この周波数シフト量は小さすぎて正確に測定できません。検出確率を向上させるには、r × Wを大きくする必要があります。このため、ドップラーDFシステムでは通常、アンテナを電気モーターで高速回転する小さな円盤に取り付けます。直径50センチメートル（20インチ）の円盤に取り付け、1000Hzで回転するアンテナを使用して同じ計算を行うと、次のようになります。

S = ⁠.25 × 1000 × 101.8/48⁠ = 530 Hz

これは容易に検出できます。しかしながら、60,000rpmという回転速度には高精度なシステムが求められます。アンテナは非常に高速で移動する必要があるため、この技術は、アンテナを短くできる高周波信号にのみ有効です^{[ b ]。}また、Fcが高くなると配当_も大きくなります^{[ 13 ] 。}

ドップラーDFシステムの初期の例は少なくとも1941年に遡り^{[ 14 ]} 、イギリスでは1.25メートル帯の250MHzで動作するドイツの早期警戒レーダーを探知するために使用されました。1943年までに、UHF帯で動作する例が登場し、 560MHzで動作するドイツのヴュルツブルクレーダーの探知に使用されました^{[ 15 ] 。}

この技術の大きな利点は、受信機、増幅器、そして適切なFM復調器が1つだけ必要なことです。これとは対照的に、HF/DFおよびBTシステムでは、アンテナペアごとに1台ずつ、そして多くの場合、センスチャネル用に3台目の受信機、計2台の厳密に整合された受信機が必要です。^{[ 7 ]}この技術が民生用に広く使用されるようになったのは、戦後に導入された直交検波器と位相同期回路の実用的な回路が導入されてからで、FM信号の受信が大幅に簡素化されました。この技術の普及は、これらの技術を採用したFMラジオの普及とほぼ同時期に進みました。^{[ 11 ]}

擬似ドップラー

システムをさらに簡素化するために、少量の電子機器を追加することでアンテナの動きをシミュレートすることが可能です。これが擬似ドップラー方向探知技術です。^{[ 16 ]}

一対の全方向性アンテナが、目標送信機からの信号を受信する場合を考えてみましょう。信号が受信機を通過すると、アンテナにおける信号の振幅は増減します。送信機から遠く離れた「遠距離場」では、波面は平行であるとみなすことができます。^{[ 17 ]} 2つのアンテナが目標に対して垂直に配置されている場合、それらの間の位相差はゼロです。一方、線路に対して平行に配置されている場合、位相差はアンテナ間の距離と信号の波長の関数となります。^{[ 17 ]}

この例では、2つのアンテナが目標波長の4分の1だけ離れて、目標波長と平行に配置されているとします。2つのアンテナが瞬時にサンプリングされた場合、それらの位相差は常に90°で一定になります。しかし、入力を一方のアンテナからもう一方のアンテナに切り替えると、信号が2つのアンテナを通過し続ける間に、必ず何らかの遅延が発生します。この場合、元のサンプルが波面のピークが近い方のアンテナにあるときに取得され、その後システムが遠い方のアンテナに切り替えられた場合、位相差は90°ではなく、いくらか小さくなります。これは、その間に波面が2番目のアンテナに近づいているためです。^{[ 13 ]}

ここで、円周上に配置された一連のアンテナと、時計回りにアンテナを順番に接続するスイッチについて考えてみましょう。目標信号が真夜中の位置にある場合、スイッチが7時と11時の間を「進む」方向に移動すると位相シフトが増加し、1時と5時の間を「離れる」方向に移動すると位相シフトが減少します。信号線に垂直なアンテナを11時と1時、5時と7時の間で切り替える場合、シフト量は一定になります。^{[ 13 ]}

アンテナからの信号は単一の受信機に送られ、一連のパルスが生成されます。その振幅はサンプリング時点の位相に依存します。この信号は平滑化されて正弦波を生成します。^{[ 18 ]}この正弦波は、単一の移動アンテナの場合と全く同じように変調されます。移動アンテナの場合、アンテナは波面を通過する際に移動するため周波数がシフトしますが、擬似ドップラー変調の場合は、サンプルのタイミングを計り、単一のアンテナの動きをシミュレートすることで周波数シフトが実現されます。ターゲット送信機への方向は、移動アンテナの場合と同様に、この信号の位相を基準信号と比較することで決定できます。この場合、基準信号はスイッチをトリガーするクロック信号です。 ^{[ 13 ]}

可動部品がなく、シンプルな電子部品で構築できるため、擬似ドップラー法は非常に人気があります。HF /DFシステムの測定ほど高速ではありませんが、現代のシステムでは測定が非常に高速であるため、2つの技術の間に実質的な差はほとんどありません。擬似ドップラー法には、アンテナシステムがモノポールアンテナを使用するためはるかにシンプルであるという大きな利点があります。また、スイッチングシステムがアンテナ上に設置されている場合、受信機に戻る配線は1本だけで済むため、必要な増幅器も1つだけです。^{[ 16 ]}この技術は非常に広く使用されているため、単にドップラーDFと呼ばれることが多く、「擬似」が付け加えられることはほとんどありません。^{[ 13 ]}

この技術の主な欠点は、より多くの信号処理が必要となることです。擬似ドップラーにおける「動き」は段階的に進行するため、得られる信号は移動アンテナの場合ほど滑らかではありません。その結果、相当数のサイドバンドを含む信号が生成され、それらをフィルタリングする必要があります。また、スイッチングシステムは電子ノイズを発生させ、出力をさらに混乱させます。^{[ 19 ]}現代の信号処理技術は、これらの影響を容易に無視できるレベルまで低減できます。^{[ 16 ]}

注記

1. Moell は 1978 年に書かれたもので、半径にインチを使用しているため、変換定数は 1880 となり、これを現代の読者向けに約 39 in/m で割ってメートルに変換しています。
2. さまざまな理由から、無線アンテナは受信しようとしている波長の約1 ⁄ 2 の長さでなければなりません。

参考文献

引用

1. 「擬似ドップラー方向探知機 Amanda Ke、Melissa Li、Jimmy Mawdsley」(PDF)。
2. 陸軍 1977年、3.3ページ。
3. サドラー 2010、4ページ。
4. イェアン 2013、188頁。
5. モエル 1987、28ページ。
6. 陸軍 1977年、3.17ページ。
7. サドラー 2010、6ページ。
8. 陸軍 1977年、3.36ページ。
9. Bauer, Arthur O. (2004年12月27日). 「HF/DF 連合軍の対ドイツUボート兵器 1939–1945」(PDF) . p. 1. 2008年1月26日閲覧。
10. サドラー 2010、5～6頁。
11. 陸軍 1977年、3.26ページ。
12. モエル 1987、123ページ。
13. モエル 1987、121ページ。
14. 米国期限切れ2414798、ホレス・ブーデンボム、「方向探知機」、1947年1月28日発行、ベル研究所に配属 
15. Rembovskyら2009年、21頁。
16. サドラー 2010、7ページ。
17. 陸軍 1977年、3.27ページ。
18. ポイゼル 2012、376ページ。
19. モエル 1987、137ページ。

参考文献

• Sadler, David (2010年2月25日). HF無線方向探知(PDF) (技術レポート). Roke Manor Research. 2017年8月9日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
• モエル、ジョセフ（1987年）『送信機ハンティング：無線方向探知の簡略化』TABブックス。ISBN 9780830627011。
• 無線方向探知装置。アメリカ陸軍。1977年。
• レンボフスキー、アナトリー、アシフミン、アレクサンダー、コズミン、ウラジミール、スモルスキー、セルゲイ (2009). 『無線モニタリング：問題、方法、機器』シュプリンガー. ISBN 9780387981000。
• ポイゼル、リチャード（2012年）『アンテナシステムと電子戦アプリケーション』アーテックハウス、ISBN 9781608074846。
• イェン・チェンパン（2013）『電波で空を探る』シカゴ大学出版局、ISBN 9780226015194。