レーダーとは何ですか?

レーダーとは何ですか?普段は目に見えないものですが、私たちの身の回りで使われているものです。レーダーは無線探知と測距の略です。航空交通管制はレーダーを使用して地上および空中の飛行機を追跡します。警察はレーダー技術を使用して、通過する自動車の速度を検出します。

NASA はレーダーを使用して地球や他の惑星の地図を作成し、衛星や宇宙ゴミを追跡し、ドッキングや操縦などを支援します。軍は無線探知と測距を利用して、短い電波のパルスで敵航空機を探知します。

また、レーダーはさまざまな気象条件で機能するため、嵐、ハリケーン、竜巻などの気象システムを追跡するときにドップラー気象レーダーを使用する気象学者もいます。たとえば、ドップラー レーダーは降水量を検出できます。

店舗では、レーダー センサーのおかげでドアが自動的に開くときに、レーダー技術が使用されているのを目にすることもあります。レーダーは非常に有用なテクノロジーであることは明らかです。レーダーがどのように機能するかを理解するには、レーダーがどのようなことに役立つかを検討する必要があります。

レーダーシステムの基礎

レーダーを使用するとき、通常、次の 3 つのことのいずれかを達成しようとします。

これら 3 つのアクティビティはすべて、日常生活でよく知られている 2 つのもの、エコーとドップラー効果 (ドップラー シフトとも呼ばれます) を使用して実行できます。あなたの耳はエコーとドップラー効果を毎日聞いているため、これら 2 つの概念は音の分野で簡単に理解できます。レーダー システムは、電波を使用する同じ技術を利用します。

この記事では、レーダーの秘密を明らかにします。この概念には馴染みがあるかもしれないので、最初にサウンド バージョンを見てみましょう。

エコー

エコーは常に経験するものです。井戸や峡谷に向かって叫ぶと、すぐにその反響が戻ってきます。エコーは、叫び声の音波の一部が表面 (井戸の底の水か向こう側の峡谷の壁) で反射して耳に戻ってくるために発生します。つまり、エコーとは電波が反射したものです。あなたが叫んだ瞬間からエコーが聞こえる瞬間までの時間の長さは、あなたとエコーを生み出す表面との距離によって決まります。

ドップラーレーダー

ドップラー効果を理解する方法は次のとおりです。駐車場で時速 60 マイル (mph) で向かってくる車がいて、クラクションを鳴らしているとします。車が近づくとクラクションの音がワンピッチで聞こえますが、車が追い越すとクラクションのピッチが急激に下がります。同じホーンからずっと同じ音が出ています。あなたが聞く変化は によって引き起こされます。

ここで何が起こりますか。駐車場の空気を伝わる音速は一定です。計算を簡単にするために、時速 600 マイルとしましょう (正確な速度は、気圧、温度、湿度によって決まります)。車が停止しており、あなたからちょうど 1 マイルの距離にあり、ちょうど 1 分間クラクションを鳴らし続けていると想像してください。ホーンからの音波は車からあなたに向かって時速 600 マイルの速度で伝播します。 6 秒の遅延 (音が時速 600 マイルで 1 マイル伝わる間) の後に、ちょうど 1 分相当の音が聞こえます。

さて、車が時速60マイルであなたに向かって進んでいるとします。それは1マイル離れたところから始まり、ちょうど1分間クラクションを鳴らします。まだ 6 秒の遅延が聞こえます。ただし、サウンドは 54 秒間のみ再生されます。それは、1分後には車がすぐ隣に来て、1分後の音が瞬時に伝わってくるからです。

ドップラー周波数シフト

車は（ドライバーから見て）1分間クラクションを鳴らしたままです。ただし、車は動いているため、ユーザーの視点からは 1 分間に相当する音が 54 秒に詰め込まれます。同じ数の音波がより短い時間に詰め込まれます。したがって、ホーンの周波数が増加し、ホーンの音がより高く聞こえます。車があなたを追い越して遠ざかると、プロセスは逆になり、音が拡大してより多くの時間を埋めることができます。したがって、トーンは低くなります。

次の方法でエコーとドップラー効果を組み合わせることができます。向かってくる車に向かって大きな音を発したとします。音波の一部は車で反射します (エコー)。ただし、車がこちらに向かって移動しているため、音波は圧縮されます。したがって、エコーの音は送信した元の音よりも高いピッチになります。エコーのピッチを測定すると、車の速度がわかります。

電波とレーダー技術を理解する

音のエコーを使用して、何かがどのくらい離れているかを判断できること、また、エコーのドップラー効果を使用して、何かがどれくらいの速度で進んでいるかを判断できることも見てきました。したがって、「音響レーダー」を作成することが可能であり、それがまさにソナーです。潜水艦やボートは常にソナーを使用しています。空気中の音にも同じ原理を適用できますが、空気中の音にはいくつかの問題があります。

したがって、レーダーは音の代わりに電波を使用します。電波は遠くまで届き、人間の目には見えず、微弱でも簡単に感知できます。

航空レーダー

飛行中の飛行機を検出するために設計された典型的なレーダー セットを考えてみましょう。レーダー セットは送信機の電源をオンにし、高強度の短時間の高周波電波を発射します。バーストはマイクロ秒続く可能性があります。次に、レーダー セットは送信機をオフにし、受信機をオンにしてエコーを待ちます。レーダー セットは、エコーが到達するまでにかかる時間と、エコーのドップラー効果を測定します。

電波は光の速度で伝わります。したがって、レーダー セットに優れた高速クロックが搭載されていれば、飛行機の正確な距離を測定できます。特殊な信号処理装置を使用することで、レーダー セットはドップラー効果を非常に正確に測定し、飛行機の速度を決定することもできます。

地上レーダー

地上レーダーでは、航空レーダーよりも他のレーダー信号からの潜在的な干渉がはるかに多くなります。警察のレーダーがレーダーパルスを発射すると、フェンス、橋、山、建物など、あらゆる種類の物体に反響します。実際のターゲットからこのクラッターをすべて除去し、レーダーのパフォーマンスを向上させる最も簡単な方法は、ドップラー シフトされていないものを認識してクラッターを除去することです。警察はドップラー レーダーを使用しており、ドップラー シフトされた信号のみを検出します。レーダー ビームは狭いビームであるため、レーダー検出は 1 台の車のみに当たります。

一部の警察は現在、レーザー技術を使用して車の速度を測定しています。この技術はLIDARと呼ばれ、電波の短パルスの代わりに光の短パルスを使用します。 LIDAR テクノロジーの詳細については、「レーダー探知機の仕組み」を参照してください。

CWレーダーとパルスレーダーの比較

ここではパルスレーダーに焦点を当ててきましたが、CWレーダーもあります。連続波レーダーとも呼ばれる CW レーダーは、パルスの代わりに中断のない電磁波を使用します。どちらもレーダー アンテナと電子部品を使用しますが、2 種類のレーダーは次の点で異なります。 CWレーダーは信号が連続しているため、常に動作しています。