ドップラーレーダー

ドップラー効果（またはドップラーシフト）は、1842年にオーストリアの物理学者クリスティアン・ドップラーが提唱したことにちなんで名付けられたもので、波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発信される周波数の差のことです。これは、サイレンを鳴らした車両が観測者に近づき、通り過ぎ、遠ざかる際によく耳にします。接近中は受信周波数が発信周波数よりも高く、通過時には同じになり、遠ざかる時には低くなります。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も依存します。波源が観測者に向かって、または観測者から遠ざかる方向に移動しているときに最大となり、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減少し、波源が観測者に対して直角に移動しているときはシフトは発生しません。

野球のピッチャーがキャッチャーに1秒に1球投げると想像してみてください（1秒に1球の頻度）。ボールが一定の速度で飛んでいて、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1秒に1球をキャッチします。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、ボールの間隔が狭くなるため、キャッチャーはより頻繁にボールをキャッチします（頻度が増加）。ピッチャーがキャッチャーから遠ざかっている場合は、その逆になります。ピッチャーが後退するため、キャッチャーはボールをキャッチする頻度が低くなります（頻度が減少）。ピッチャーが同じ速度で斜めに移動する場合、2人の間の距離の変化が緩やかになるため、キャッチャーがボールをキャッチする頻度の変動は小さくなります。

投手の視点から見ると、周波数は一定のままです（ボールを投げている場合でも、マイクロ波を送信している場合でも）。マイクロ波や音波のような電磁波では、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、音源と観測者の間の速度の相対的な差がドップラー効果を引き起こします。^{[ 2 ]}

レーダーの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系で行われるため、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論を持ち出す必要はありません。 ^{[ 4 ]}光速をc、目標の視線速度をvとして導出された結果は、シフトした周波数(${\displaystyle f_{r}}$）元の周波数の関数として（${\displaystyle f_{t}}$)  :

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

これは以下のように簡略化できます

${\displaystyle f_{r}=f_{t}\left({\frac {c+v}{cv}}\right)}$

「拍動周波数」（ドップラー周波数）（${\displaystyle f_{d}}$）は、したがって次のようになる。^{[ 5 ]}

${\displaystyle f_{d}=f_{r}-f_{t}=2v{\frac {f_{t}}{(cv)}}}$

レーダーのほとんどの実用的な用途では、${\displaystyle v\ll c}$、 それで${\displaystyle \left(cv\right)\rightarrow c}$すると、次のように書くことができます。

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

ドップラー効果を生み出す方法は4つあります。レーダーには次のようなものがあります。

• コヒーレントパルス（CP）、
• パルスドップラーレーダー、
• 連続波（CW）、または
• 周波数変調（FM）。

ドップラーレーダーは、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ーの使用を可能にします。これにより、樹木、雲、昆虫、鳥、風などの環境要因によって発生する誤信号は効果的に除去されますが、この技術を使用していない安価な携帯型ドップラーレーダー装置では、誤った測定値が生じる可能性があります。

CWドップラーレーダーは、ターゲットから受信した信号を元の信号と周波数で比較することで速度を出力します。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、すぐに送信周波数を掃引して距離を符号化・測定する周波数変調連続波（FMCW）レーダーの開発につながりました。

デジタル技術の登場により、パルスドップラーレーダー（PD）は航空機で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った。これにより、ルックダウン/シュートダウン機能が実現する。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、正確な速度情報が得られることである。この速度はレンジレートと呼ばれる。これは、目標がレーダーに向かって、またはレーダーから遠ざかる速度を表す。レンジレートのない目標は、送信周波数に近い周波数を反射するため、検出できない。典型的なゼロドップラー目標は、レーダーアンテナビームに接線方向に向かう目標である。基本的に、アンテナビームに対して90度の方向に向かう目標は、速度によって検出することはできない（従来の反射率によってのみ検出できる）。

超広帯域波形は、平均電力が低く、解像度が高く、物体を透過する能力があるため、ドップラー処理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。プラットフォームが静止しているときに移動目標の速度を推定するためにUWBレーダー技術にドップラー処理を組み込むことができるかどうかの実現可能性を調査する中で、2013年のARLレポートは目標距離の移動に関連する問題を強調しました。^{[ 6 ]}しかし、研究者らは、適切なマッチドフィルタを使用すればこれらの問題は軽減できると示唆しています。^{[ 7 ]}

軍用航空機の用途において、ドップラー効果には主に2つの利点があります。第一に、レーダーが妨害対策に対してより堅牢になります。天候、地形、チャフなどの妨害手段からの反射信号は検出前にフィルタリングされるため、敵対的な環境下でのコンピュータとオペレーターの負荷が軽減されます。第二に、低高度目標に対しては、常に速度がゼロである地上のクラッターを除去するために、視線速度でフィルタリングすることが非常に効果的です。敵レーダー追跡に対する妨害対策アラート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してドップラー周波数を無効化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、はるかに大きい地上反射に隠れることでレーダーを追い払うことができます。

テレビの気象予報士が放送中の天気予報でよく使うため、「ドップラーレーダー」という特定の用語が、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使われるようになりました。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使用していますが、これはデータ処理の一部にすぎません。^{[ 13 ] [ 14 ]}したがって、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は意味と用途においてずっと広範です。

気象レーダーのドップラー機能に関する研究は、多くの国で長い歴史を持っています。1958年6月、アメリカの研究者であるデイビッド・ホームズとロバート・スミスは、移動式連続波レーダーを使用して竜巻の回転を検出することができました（右の写真）。後に国立激甚気象研究所（NSSL）となったノーマンの研究室は、このレーダーをパルスドップラーレーダーに改良し、エコーの位置をより簡単に把握し、より大きな出力を得ることができました^{[ 15 ]。}

1974年の米国におけるスーパーアウトブレイクのような出来事の後、この研究は加速した。このアウトブレイクでは、148個の竜巻が13州を襲った。当時の反射率のみのレーダーでは、雷雲の降水構造は特定できたが、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回転や風の発散は特定できなかった。NSSLドップラーは1971年に運用を開始し、1980年代末にNEXRADネットワークの展開につながった。 ^{[ 16 ]}

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使用されました。レーダーで地面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、風速を初めて正確に決定することができました。この値は、高精度な推測航法に使用されました。このようなシステムの初期の例の 1 つは、イングリッシュ・エレクトリック・キャンベラで使用されたグリーンサテンレーダーです。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し、単一のアンテナで送受信できるようにしました。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した。実際には、最初の「位置」は、通常Geeなどの無線航法システムを使用して取得され、その後、グリーンサテンは Gee の 350 マイルの範囲を超える正確な長距離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で使用され、^{[ 17 ]} 1960 年代までに戦闘機の設計のメインの捜索レーダーと組み合わされました。

ドップラー航法は、慣性航法システムにほぼ取って代わられるまで、1960年代に民間航空で広く使用されていました。この装置は、送信機/受信機ユニット、処理ユニット、および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均等にすることで航空機の航路に合わせました。シンクロはプラットフォームの角度を操縦室に送信し、それによって「ドリフト角」の測定値を提供しました。対地速度は、前方と後方のビーム間のドップラーシフトから決定されました。これらは操縦室の単一の計器に表示されました。 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、ドップラーによって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。前後方向と左右方向の2つの固定車輪がカウンターを駆動し、航路に沿った距離と航路の差を出力した。航空機のコンパスはコンピュータに統合されており、海上大圏航路上の2つのウェイポイント間で希望の航路を設定できた。これは当時利用可能だった他の「推測航法」に比べて大きな進歩だった。通常はロラン、VOR、NDBによる位置情報、あるいは最終手段として六分儀とクロノメーターで補完された。VORまたはNDBの受信範囲内であれば、数マイルの誤差で大西洋を横断することが可能だった。実用上の主な欠点は海況であり、穏やかな海ではレーダーの反応が悪く、ドップラー測定値が信頼できないものとなった。しかし、北大西洋ではこのような状況はまれだった。

• 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の動きに基づく自動転倒検出」 .第5回ヘルスケア向けユビキタスコンピューティング技術に関する国際会議議事録. ダブリン、アイルランド. pp. 222–225 . doi : 10.4108/icst.pervasivehealth.2011.245993 . ISBN  978-1-61284-767-2。