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とも呼ばれる) 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法です。VHFおよびUHF周波数での用途に最適で、方向を示すのに短時間しかかかりません。このため、商業、アマチュア、および自動放送の大半の位置を測定するのに適しています。ドップラー DF は、最も広く使用されている方向探知技術の 1 つです。他の方向探知技術は、通常、一瞬の信号や、より長いまたはより短い波長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ソースに近づいているか遠ざかっているかを判断します。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使用してこの動きを作成しました。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、複数のアンテナのセットを高速に切り替えることによって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断するのに十分な強さになります。このバリエーションは、疑似ドップラー DF、またはシーケンシャル位相 DFとして知られています。この新しい技術は非常に広く使用されているため、ほとんどの参考文献で参照されるドップラー DF であることがよくあります。 [ ^1]

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]オペレータはアンテナを回転させて、信号が最大に達するか、より一般的には突然消えるか「ヌル」になるポイントを探しました。一般的な RDF アンテナ設計はループ アンテナで、これは単に円の中に小さな隙間があるワイヤのループで、通常は隙間が底にある状態で垂直軸の周りを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、ループの代わりにダイポール アンテナが使用されました。1930 年代以前は、無線信号は一般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のため、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ました。このシステムでは、アンテナの回転が、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ワイヤの回転に置き換えられました。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似ていますが、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ます。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異なります。これらの信号は、やはり直角に配置された2 つのワイヤ コイル(フィールド コイル) に送信されました。これらは、ソーダ缶ほどの大きさのはるかに小さなスペースで元の信号を再現しました。交差した 2 つのフィールド コイルの間のスペースで小さなループ アンテナ(センス コイル)を回転させることにより、DF を実行できます。実際には、従来の技術をはるかに小さなスケールで再現し、メイン アンテナを任意のサイズで構築できるようにしました。^[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である高周波方向探知システム、または HF/DF を導入しました。これは「ハフダフ」とも呼ばれています。HF/DF も交差アンテナ (多くの場合はアドコック アンテナ)を使用しますが、^[7]その出力はオシロスコープの 2 つのチャネルに送られます。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 位置と Y 位置がそれぞれ異なる量だけ偏向し、楕円または 8 の字が画面に表示され、長軸が信号の方向を示します。^{[8]読み取りは基本的に瞬時に行われ、短い送信でも簡単に検出できました。HF/DF は、成功した}U ボートの沈没の約 4 分の 1 で使用されました。^[9]

これらのシステムにはどちらも欠点がある。ベリーニ・トーシ システムには、小さいとはいえ可動部品があるが、オペレーターが信号を探す必要があり、これには数分かかるという大きな制限がある。HF/DF は信号の方向を直接かつ即座に示すが、それにはオシロスコープや、同様に応答時間が速い同様の表示システムが必要になるという代償がある。どちらも 2 つのよく適合した受信機と増幅器が必要で、使用する場合は「感知」アンテナ用に 3 つ目が必要になることが多い。^[10]

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、離れ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場合、またはまったく移動していない場合は、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、信号から離れたり、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はターゲットの波長、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。

光の速度は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]}

101.5 MHz のFM ラジオ局を、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)) の周りを時速 25 キロメートル (16 マイル) で走行してい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 mまたは314 mで、その速度は25 ⁠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。検出確率を上げるには、r × W を増やす必要があります。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ディスクに取り付けます。直径 50 センチメートル (20 インチ) のディスクに取り付けたアンテナを使用して 1000 Hz で回転する計算を実行すると、次のようになります。

S = ⁠.25 × 1000 × 101.8/48⁠ = 530 Hz

これは簡単に検出できます。しかし、60,000rpmという回転速度には高精度のシステムが必要です。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、Fcが高くなるほど配当が大きくなる高周波信号にのみ^有効_です。[ 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メートル帯域の250MHzで動作するドイツの早期警戒レーダーを探すために使用されました。1943年までにはUHF領域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を見つけるために使用されました。^[15]

この技術の大きな利点は、受信機、増幅器、適切なFM復調器が1つだけ必要なことである。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つ、さらにセンスチャネル用に3つ目が必要になるなど、2つの厳密に適合した受信機が必要である。^[7]この技術が民間で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、FM信号の受信が大幅に簡素化されてからである。この技術の使用は、FMラジオの普及とほぼ同時期に始まったが、 FMラジオでもこの技術が使用されていた。^[11]

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して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]

ターゲット送信機からの信号を受信する全方向性アンテナのペアを考えてみましょう。信号が受信機を通過して伝播するにつれて、アンテナでの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考えられます。^[17] 2 つのアンテナがターゲット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が、ラインに対して平行に配置されている場合、位相差はそれらの間の距離と信号の波長の関数になります。^[17]

この例では、2 つのアンテナがターゲット波長の 4 分の 1 離れて、ターゲット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同じ 90° 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、必ず何らかの固有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、システムが遠い方のアンテナに切り替えられた場合、その間に波面が 2 番目のアンテナに近づいているため、位相差は 90° ではなく、いくらか小さくなります。^[13]

ここで、円周に沿って配置された一連のアンテナと、時計回りにアンテナに順番に接続するスイッチについて考えてみましょう。ターゲット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「前進」するときに位相シフトが増加し、1 時と 5 時の間を「後退」するときに位相シフトが減少します。信号線に対して垂直なアンテナを 11 時から 1 時、5 時から 7 時に切り替える場合、シフトは一定値になります。^[13]

アンテナからの信号は単一の受信機に送信され、一連のパルスになります。その振幅はサンプリングの瞬間の位相に依存します。その信号は次に平滑化されて正弦波を生成します。^[18]その正弦波は、単一の移動アンテナの場合とまったく同じように変調されます。移動アンテナの場合、アンテナが波面を通過するときに波面を移動するため周波数がシフトしますが、擬似ドップラーの場合、これはサンプルのタイミングを計って単一のアンテナの動きをシミュレートすることによって実現されます。ターゲット送信機への方向は、移動アンテナの場合と同じ方法で、この信号の位相を基準信号と比較することによって決定できます。この場合、基準はスイッチをトリガーするクロック信号です。^[13]

疑似ドップラー法は可動部品がなく、簡単な電子部品で構築できるため、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 つの技術に実質的な違いはほとんどありません。疑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単純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ある場合は、受信機に戻る配線が 1 本だけなので、必要な増幅器は 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、「疑似」が付け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になることです。擬似ドップラーの「動き」は段階的に進むため、結果として得られる信号は、移動するアンテナの場合ほど滑らかではありません。その結果、フィルターで除去する必要があるサイドバンドがかなり多くなります。スイッチング システムによって電子ノイズも発生し、出力がさらに混乱します。^[19]現代の信号処理では、これらの影響を簡単に無視できます。^[16]

• 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)。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。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。Springer。ISBN 9780387981000。
• ポイゼル、リチャード (2012)。アンテナシステムと電子戦アプリケーション。Artech House。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。