レーダーは、通常は見えませんが、私たちの周りで使用されているものです。航空交通管制はレーダーを使用して、地上と空中の両方の飛行機を追跡し、スムーズな着陸のために飛行機を誘導します。警察はレーダーを使用して、通過するドライバーの速度を検出します。NASAはレーダーを使用して、地球や他の惑星をマッピングし、衛星やスペースデブリを追跡し、ドッキングや操縦などを支援します。軍はそれを使用して敵を検出し、武器を誘導します。
気象学者はレーダーを使用して、嵐、ハリケーン、竜巻を追跡します。ドアが自動的に開くと、多くの食料品店でレーダーの形を見ることができます。明らかに、レーダーは非常に有用な技術です。
人々がレーダーを使用するとき、彼らは通常、次の3つのいずれかを達成しようとしています。
- 離れた場所にある物体の存在を検出する-通常、「何か」は飛行機のように動いていますが、レーダーを使用して地下に埋められた静止物体を検出することもできます。場合によっては、レーダーで物体を特定することもできます。たとえば、検出した航空機のタイプを識別できます。
- 物体の速度を検出する-これが警察がレーダーを使用する理由です。
- 何かをマッピングする-スペースシャトルと軌道を回る衛星は、合成開口レーダーと呼ばれるものを使用して、惑星や衛星の表面の詳細な地形図を作成します。
これらの3つのアクティビティはすべて、日常生活でよく知っている2つのこと、エコーとドップラーシフトを使用して実行できます。これらの2つの概念は、耳にエコーとドップラーシフトが毎日聞こえるため、音の領域で簡単に理解できます。レーダーは電波を使った同じ技術を利用しています。
この記事では、レーダーの秘密を明らかにします。あなたはすでにこの概念に精通しているので、最初にサウンドバージョンを見てみましょう。
- エコー
- ドップラーシフト
- レーダーを理解する
エコー
エコーはあなたがいつも経験するものです。井戸や峡谷に向かって叫ぶと、しばらくしてエコーが戻ってきます。エコーは、叫び声の音波の一部が表面（井戸の底の水または向こう側の峡谷の壁）で反射して耳に戻るために発生します。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成する表面との間の距離によって決まります。
エコーで深さを計算する
あなたが井戸に向かって叫ぶとき、あなたの叫びの音は井戸を伝わり、井戸の底の水面で反射（反響）します。エコーが戻るまでの時間を測定し、音速がわかっている場合は、井戸の深さをかなり正確に計算できます。
ドップラーシフト
ドップラーシフトも一般的です。あなたはおそらくそれを毎日経験します（しばしばそれを認識せずに）。ドップラーシフトは、移動するオブジェクトによって音が生成されるか、オブジェクトから反射されるときに発生します。極端なドップラーシフトは、ソニックブームを引き起こします（以下を参照）。ドップラーシフトを理解する方法は次のとおりです（空の駐車場でこの実験を試すこともできます）。時速60マイル（mph）であなたに向かってくる車があり、そのホーンが鳴っているとしましょう。車が近づくとホーンが1つの「音」を鳴らしているのが聞こえますが、車が通過すると、ホーンの音が突然低い音にシフトします。それはいつも同じ音を出す同じホーンです。聞こえる変化は、ドップラーシフトによって引き起こされます。
これが何が起こるかです。駐車場の空気中の音速は固定されています。計算を簡単にするために、600 mphとしましょう（正確な速度は、空気の圧力、温度、湿度によって決まります）。車が静止していると想像してみてください。車はあなたからちょうど1.6km（1マイル）離れており、ちょうど1分間ホーンを鳴らします。ホーンからの音波は、時速600マイルで車からあなたに向かって伝播します。聞こえるのは、6秒の遅延（音が600 mphで1マイル移動する間）と、それに続く正確に1分に相当する音です。
ここで、車が時速60マイルであなたに向かって移動しているとしましょう。それは1マイル離れたところから始まり、ちょうど1分間ホーンを鳴らします。それでも6秒の遅延が聞こえます。ただし、サウンドは54秒間しか再生されません。これは、1分後に車がすぐ隣にあり、1分後に音が瞬時に届くためです。車は（ドライバーの観点から）まだ1分間ホーンを鳴らしています。しかし、車が動いているので、あなたの視点から見ると、1分に相当する音が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、それらの周波数が増加し、ホーンのトーンがあなたに高く聞こえます。車があなたを通り過ぎて離れると、プロセスが逆になり、音が拡大してより多くの時間を埋めます。したがって、トーンが低くなります。
エコーとドップラーシフトは次のように組み合わせることができます。あなたがあなたに向かって移動している車に向かって大きな音を送るとしましょう。音波の一部は車から跳ね返ります（エコー）。ただし、車があなた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、車の速度を判断できます。
ソニックブーム
ここでは音と動きのトピックに取り組んでいますが、ソニックブームも理解できます。車が正確に音速（時速700マイル程度）であなたに向かって移動していたとしましょう。車はクラクションを鳴らしている。ホーンによって生成される音波は音速より速く進むことはできないため、車とホーンの両方が時速700マイルで到達し、車からの音はすべて「積み重なって」いきます。何も聞こえませんが、車が近づいてくるのが見えます。車が到着するのとまったく同じ瞬間に、すべての音も鳴り響きます。それはソニックブームです。
ボートが水の中を波が移動するよりも速く水の中を移動する場合にも同じ現象が発生します（湖の波はおそらく時速5マイルの速度で移動します-すべての波は固定速度で媒体を移動します）。ボートが生成する波は「積み重なって」、ボートの後ろに見えるV字型の船首波（航跡）を形成します。船首波は本当に一種のソニックブームです。これは、ボートが生成したすべての波の積み重ねられた組み合わせです。後流はV字型を形成し、Vの角度はボートの速度によって制御されます。
レーダーを理解する
音のエコーを使用して、何かがどれだけ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シフトを使用して、何かがどれだけ速く進んでいるかを判断できることもわかりました。したがって、「サウンドレーダー」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。空気中の音についても同じ原理を使用できますが、空気中の音にはいくつかの問題があります。
- 音はそれほど遠くまで伝わりません-多分せいぜい1マイルです。
- ほとんどすべての人が音を聞くことができるので、「サウンドレーダー」は間違いなく隣人を邪魔します（可聴音の代わりに超音波を使用することでこの問題のほとんどを取り除くことができます）。
- 音のエコーが非常に弱いため、検出が困難になる可能性があります。
したがって、レーダーは音の代わりに電波を使用します。電波は遠くまで伝わり、人間には見えず、微弱でも簡単に検出できます。
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見てみましょう。レーダーセットは送信機をオンにし、高周波電波の短い高強度のバーストを発射します。バーストはマイクロ秒続く場合があります。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リッスンします。レーダーセットは、エコーが到着するのにかかる時間と、エコーのドップラーシフトを測定します。電波は光速で伝わり、マイクロ秒あたり約1,000フィートです。そのため、レーダーセットに優れた高速時計があれば、飛行機の距離を非常に正確に測定できます。特別な信号処理装置を使用して、レーダーセットはドップラーシフト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。
地上レーダーでは、空中レーダーよりもはるかに多くの潜在的な干渉があります。ときに警察のレーダーフェンス、 -パルスアウトシュートが、それはオブジェクトのすべての種類のオフエコーブリッジ、山、建物。この種の乱雑さをすべて取り除く最も簡単な方法は、ドップラーシフトされていないことを認識してフィルターで取り除くことです。警察のレーダーはドップラーシフトされた信号のみを探し、レーダービームはしっかりと集束されているため、1台の車にしか当たらない。
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。この手法はLIDARと呼ばれ、電波の代わりに光を使用します。LIDARテクノロジーの詳細については、レーダー探知機のしくみを参照してください。
