Language
Country/Area
No result found
ミリ波レーダーの超能力：小さな水滴や大雨の秘密をどう捉えるか？
ミリ波レーダーは雲レーダーとも呼ばれ、雲を監視するために特別に設計されており、24～110GHz の周波数範囲で動作します。このような特殊な周波数により、ミリ波レーダーの波長は約 1 mm ～ 1.11 cm となり、これは NEXRAD などの従来の S バンド レーダーよりも約 10 倍短くなります。この技術の中心的な目的は、雲の性質とその進化を研究することです。
これらのレーダー システムは通常、大気圏での伝送効率が最も高い 35 GHz の Ka バンドと 94 GHz の W バンドで動作します。
ミリ波レーダーは時間と距離の分解能が非常に高いです。時間分解能は通常 1 ～ 10 秒の範囲で調整可能ですが、距離分解能はレーダーの設計と目的によって異なります。一般的に、雲レーダーの最大検出範囲は14〜20キロメートルに達し、ドップラー速度の分解能は毎秒数センチメートルです。
雲レーダーは主に偏光システムであり、線形偏光比 (LDR) を介して粒子の不規則性を測定できます。 レーダーは通常、真上を天頂に向けられていますが、技術の進歩により、多くのレーダーにスキャンユニットが追加され、レーダーがさまざまな角度でより高速にスキャンできるようになり、垂直風プロファイルや風量情報などの追加情報を取得できるようになりました。
長波長レーダーは小さな雨滴や降雨に対する減衰が少なく、短波長レーダーはより小さな粒子に対してより敏感です。つまり、さまざまな気象条件において適切なレーダーを選択することが特に重要です。
現在、ミリ波レーダーは、雲の境界（雲底や雲頂など）の検出や、雲の微物理的特性（粒子サイズや質量含有量など）の推定など、多くの分野で広く使用されています。これらのデータは、雲がどのように大気を通過する放射エネルギーを反射、吸収、変換します。レーダーは霧の研究にも広く使用されており、昆虫学の研究でも 40 年以上使用されてきました。特に、晴れた暖かい日にほぼ昆虫のみを対象とする研究に使用されています。さらに、ミリ波レーダーは巨大エアロゾルの研究に使用できることが最近発見されました。
雲レーダーの動作環境は地上に限らず、空中や宇宙空間でも動作します。航空機搭載システムの例としては、HALO (高高度長距離研究航空機) に搭載されたレーダーやワイオミング州の KingAir 研究航空機が挙げられます。宇宙の雲プロファイリングレーダーは、2006 年から CloudSAT 衛星で運用されています。 2023年3月に打ち上げが予定されている地球雲・エアロゾル・放射線探査機（EarthCARE）ミッションには、ドップラー機能を備えた初の宇宙ベースの雲プロファイリングレーダーが搭載される予定だ。
レーダーによる測定: IQ からスペクトルまで
パルスレーダーシステムは、大気中に電磁波を送信し、反射して戻ってくる信号を受信するため、能動的な測定機器であると考えられています。レーダーはさまざまなハードウェア コンポーネントで構成されており、各コンポーネントには異なる要素が含まれています。送信ユニット内の発振器によって生成された電磁波は、導波管を介してアンテナに伝送され、大気中に放射されます。
送信された各パルスが水蒸気を含む空気の体積によって散乱された後、戻ってきた信号がレーダーアンテナによって収集され、フィルタリング、強調、ダウンコンバージョンの後にデジタル化されます。
各戻り信号の伝送は時間とともに変化しますが、信号に反映される電界は大量の水蒸気の混合から得られます。したがって、受信信号は多数の水蒸気粒子からのエコーで構成されており、これらのエコーを個別に分析することはできません。したがって、信号をサンプリングすることで、特定の時間遅延における波の距離を決定し、エコーの多様性に焦点を当てることができます。
また、レーダーのドップラー処理を行うと、I/Q信号の演算により戻り信号から得られるスペクトルが自動生成され、エコーのドップラー周波数を測定することができます。これにより、科学者はサンプル体積内のさまざまな粒子の速度の範囲を評価することができます。
ドップラー分光法の特徴
レーダーのサンプルボリューム内には、通常、複数の散乱ターゲットが存在します。各ターゲットには独自の特定の周波数シフトがあり、返される電力を測定することでドップラースペクトルを分析できます。反射率はスペクトルから計算できます。スペクトルを積分することで、関連する気象データを取得し、天候の変化を推測することができます。
スペクトルの最初のモーメントは平均ドップラー速度を表し、サンプル全体の半径方向の速度を反映します。一方、2 番目のモーメントはドップラー幅を示し、検出された速度範囲の変動の度合いを示します。
多くのパラメータの中で何に注意すべきでしょうか？
ドップラー幅、歪度、ピーク度はすべて、ドップラースペクトルを説明する重要なパラメータです。これらのパラメータを研究することで、雲の構造における微物理的および動的な変化を明らかにすることができ、これは気象の変化を予測する上で非常に重要です。さらに、レーダーの偏光測定により、降水がどのように機能するか、気候変動の影響についてより深い洞察が得られます。
技術の進歩に伴い、ミリ波レーダーの応用範囲はますます広がっていますが、この終わりのない探求の中で、これらの技術の背後にある物理的原理を完全に把握し、理解することはできるでしょうか?
