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レーダーの概要


 レーダー(Radar)とは、Radio detection and rangingから作られた言葉である。 電波(radio)によって遠方の対象物を検出(detection)し、その方向と距離を測る(ranging)という意味なのである。 人間の目は対象物から照射、反射、散乱した光を目で受けている。 これは、自分から光を発していないものの、対象物からの光(電磁波)を受光をしている点はレーダーと似ている。 しかし、光を使うよりも同じ電磁波でもより波長の長い電波を使うと非常に有利なことが多い。 光は雲や煙など光を吸収、散乱するものがあるとその向こう側を見ることができないが、電波は雲の中も煙の中も直進する。 よって、定常的に気象条件などに左右されず遠方のものを観測したい場合は、電波を使うレーダーでものを探査することが多い。 さらにレーダーは受信される信号のドップラー成分を検出することで、物体の速度を計測することができるのである。
 通常、レーダーはずっと電波を出しているわけではない。 もし、絶えず電波を出していたら受信される電波が、いつ発せられたかわからない。 これでは目標の位置を検知できるレーダーの利点が全くなくなってしまう。 レーダーはパルスと呼ばれるかなり短い時間だけ電波のパケットを発する。 これにより目標から帰ってきたパルスを受信することで、パルスを送信した時間と受信した時間の差から目標までの距離を知ることができるのである。 このようなレーダーをパルスレーダーと呼び、その概要を図1に示す。

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図1. レーダーの原理

レーダーの基本的な構成は、送信アンテナ、受信アンテナ、送信機、受信機、指示器から成る。 特殊な場合を除いて送信アンテナと受信アンテナは同じである場合が多い。
 時間的に短いパルスは送信用アンテナを使って、ある方向に指向性を持って送信される。 目標に当たった電波は四方八方に電波を再放射する。 この再放射された電波を受信アンテナで受信するのである。 このように、送信した電波のほとんどは帰って来ず、微弱な目標から再放射された電波(エコーパルス)を受信しているのである。 このため、より精度よく電波を受信するには、たくさんの微弱なエコーパルスを集める必要があるので大きなアンテナが必要となる。
 目標物までの距離は、パルスを送信アンテナから送信して目標に到達し、再放射され、受信アンテナでそのエコーパルスを受信するまでの時間\( \Delta t\)から求めることができる。 \( \Delta t\)はアンテナと目標物の間を往復する時間であるので、アンテナから目標までの距離を\( R \)とすると、 \begin{eqnarray} R = \frac{c\Delta t}{2} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (1) \end{eqnarray} と表される。 ここで、\( c \)は光の速度である(電波は高速で進む)。 また、送信アンテナと受信アンテナは同じであると仮定した。
 式(1)から目標からのエコーパルスを受信するまでの時間は、 \begin{eqnarray} \Delta t = \frac{2R}{c} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (2) \end{eqnarray} で表される。 レーダーはパルスを送信すると、エコーパルスが受信されるまでの時間\( \Delta t \)は次のパルスを送信しない。 もし、パルスを送信してから次のパルスを送信するまでの時間を\( \Delta t \)より小さくすると、目標からのエコーパルスは、次のパルスを送信した後に受信されることになり、見かけ上レーダーの近傍に目標があるように間違ってしまう。 こういった間違いを引き起こすパルスのことを2次パルスと呼ばれる。 また、パルスを送信してから次のパルスを送信する周期のことを繰り返し周期と呼ぶ。
 繰り返し周期が短ければ短いほど単位時間に多くのパルスを送信することができるので、できるだけ繰り返し周期を短くする。 2次以上のエコーが発生しないぎりぎりの繰り返し周波数を求めてる。 エコーパルスを受信してからすぐに次のパルスを送信することが最も効率的な観測であるので、いま観測したい最も遠い目標までの距離を\( R_L\)、繰り返し周期を\( T \)、繰り返し周波数を\( f_r \)とすると、 \begin{eqnarray} R_L = \frac{cT}{2} = \frac{c}{2f_r}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (3) \end{eqnarray} で最も効率的な繰り返し周波数、周期を求めることができる。 ここで、\( T = 1 / f_r \)である。 このようにして、レーダーが送信する繰り返し周波数を決める時は、そのレーダーで観測したい最も遠くにある目標までの距離から決めることも多い。
 アンテナから電波を四方八方に送信する場合を考える。 もし、目標がある方向に電波を送信したとき、強いエコーパルスが観測される。 このようにして、目標の方向を同定する。
 目標が運動している時は、エコーパルスの周波数が目標の速度に応じてドップラーシフトする。 目標が速度\( V \)で運動していたとすると、ドップラー周波数\( f_d \)は、 \begin{eqnarray} f_d = \frac{2V}{\lambda}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (4) \end{eqnarray} と表される。 つまり、速度\( V \)で運動する目標からのエコーパルスは\( f_d \)だけずれる。 この\( f_d \)を観測することで目標のアンテナとの相対速度を求めることができる。

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