短波帯FM-CWレーダーシステム構築による新しい電離層観測手法の開発研究

● Ⅰ．FM-CWレーダー導入の背景

● Ⅱ．FM-CWレーダーとは・・・？

● 　　　　　　　（開発研究の目的）

● Ⅲ．篠栗に構築したシステムの概要

● Ⅳ．FM-CWレーダーによる

● 　　　　　　　距離測定の基本原理

● Ⅴ．イオノゾンデモードによる観測法

● Ⅵ．ドップラーモードによる観測法

● Ⅶ．まとめ

宇宙地球電磁気学研究分野　　石原 隆一

Ⅰ．ＦＭ-ＣＷレーダー導入の背景

磁力計設置点

地上で観測される地磁気変動の原因同定のために　　　　　　　　　　　　　電離層電場の多点観測が必要！

Ⅰ．ＦＭ-ＣＷレーダー導入の背景

観測

Ⅰ．ＦＭ-ＣＷレーダー導入の背景

：電離層レーダー

電離層レーダーで電離層に発生する電場を捉えたい！

Ⅱ．ＦＭ-ＣＷレーダーとは・・・？（開発研究の目的）

ＦＭ-ＣＷFrequency-Modulated Continuous Wave 周波数を変調させながら　 連続的に電波を送信する

（電波の送信方式の一種）

主な特徴　 その他世界中の電離層観測・イオノゾンデ・ＨＦドップラー・Super Darn・ＩＳ(Incoherent Scatter) Radar・MU Radar (京都大学)　　　　　　・・・

電離層観測機としてのFM-CWレーダーはまだ少ない

九州大学のレーダーでは短波帯（２MHｚ～30MHｚ）を用いることで電離層からの反射電波を観測している

１．大きな利得　→出力が小さくて済む（２０W）　→移動性に優れている　→低コストである

２．データをデジタルに処理できる　→多くの人手を必要としない→多点配置に最適である

Ⅱ．ＦＭ-ＣＷレーダーとは・・・？（開発研究の目的）

開発研究の目的・・・地磁気変動（数秒周期）の原因が議論できる　　周期で電離層（F層）変動：Vを観測する手法を確立する！

FM-CWレーダーを用いた電離層電場の推定法

V ＝ (E × B)/B　（電場ドリフト）2

（観測）

（推定）

第一号FM-CWレーダー用　　　　　　　アンテナ設置風景（2000年7月　福岡県篠栗町）

Ⅲ．篠栗に構築した自動データ処理システムの概要九州大学・宇宙地球電磁気学研究室・SERC(宙空環境研究センター)

観測モードの切り替え等の制御・イオノゾンデモード・ドップラー（周波数固定）モード

QLデータの転送

2001年9月　無線局免許取得 運用開始

福岡県篠栗町

Ⅳ．FM-CWレーダーによる距離測定の基本原理

＊レーダーは、送信電波と受信電波からf D を周波数に持つ信号 XD を作り出す！ τ = f D/k :電波が往復するのにかかる時間

周波数掃引（sweep）

R = cτ/2 :対象物までの見掛けの距離

Ⅴ．イオノゾンデモードによる観測

１．イオノゾンデとは・・・？

ｆｐ～8.98 √Ne

プラズマ周波数は電子密度と対応

送信周波数が電離層の電子密度に対応する高度で反射する！

ある高度で反射した電波の周波数はその高度での電離層の電子密度を表す

周波数を変えながら電離層に電波を飛ばすと・・・

電波は送信周波数=プラズマ周波数という高度で反射する！

Ⅴ．イオノゾンデモードによる観測

２．イオノゾンデ観測の例

イオノグラム（固定周波数を順次送信する

　パルスレーダーによる定常的観測）

ピークから下を観測

Ⅴ．イオノゾンデモードによる観測

３．九大FM-CWレーダーによるイオノゾンデ観測

Time

Frequency

数十HzM

数分間イオノゾンデモードによるイオノグラム

FM-CWレーダーイオノゾンデモードによる周波数掃引パルスレーダーによる周波数掃引

Ⅴ．イオノゾンデモードによる観測

４．九大FM-CWレーダーのイオノグラムと地上磁場変動との比較

Ⅴ．イオノゾンデモードによる観測

５．地上磁場変動及び電離層高度変動の原因考察

電離層電流　及び　　　　　地上磁場変動

Scによって浸入した電離層電場

FM-CWレーダーによって電離層電場が捉えられた一例

Ⅴ．イオノゾンデモードによる観測

６．九大FM-CWレーダーのイオノゾンデモードと　　　　　　　　定常的に行われているイオノゾンデ観測

　　　　　　　FM-CWレーダー　　　　　　 イオノゾンデモード 定常的イオノゾンデ出力　　　　　　　 ２０W １０ｋW夜間の観測　　　　　困難　　　　　　　　　　 可能観測間隔　　　　　　～5分　　　　　 　　 　15分

イオノゾンデ観測の問題点：　　　　　数分間隔の観測なので、数秒周期の地磁気変動の　　　　　原因を議論するのは難しい

そこで・・・　　　→ドップラーモードの開発

Ⅵ．ドップラーモードによる観測１．ドップラー観測

⊿ｆ（電離層擾乱）

太陽放射の変動電離層電場

電離圏の特異現象・Spread-F・Sporadic-E

下層大気中の気象擾乱・Typhoons/Hurricanes/Cyclone

・Tornado

伝搬性電離圏擾乱（TID）

地震火山の爆発

ｆTｆT+⊿ｆ

Ⅵ．ドップラーモードによる観測

ドップラー周波数：⊿ｆ

２．FM-CWレーダーによるドップラー観測の原理

XD1=AcosφD1

=Acos{φ0 + 2πf0 + kτ}

Time

数 十kHz

1秒以下

Freq

uenc

y

ｎ=1 2 3 4

f0

送信波と受信波から得た距離情報：ｆDnを周波数に持つ信号

ｆD1：距離情報

XD1 XD２XD３ XDｎXD４

2v c

Ⅵ．ドップラーモードによる観測２．FM-CWレーダーによるドップラー観測の原理 （Double FFT 法）

XDn(t) ⇒ XDn(ｆ)　　　 FFT １ｓｔ

高度Rに比例する周波数差：ｆD→高度を計算 ＋ドップラー周波数：⊿ｆ

Time

Frequency XD(ｆ,t) の集め方により、サンプリングレートをある程度自由に設定することが出来る→数秒周期での観測が可能！

＊海洋レーダーに用いられる方法の応用

XDｎ(ｆ) ⇒ XD(ｆ,t)同じｆDを持つXDｎ(ｆ)を集めて来る

XD(ｆ,t) ⇒ ドップラー周波数⊿ｆを取り出すことができる FFT 2nd

XDｎｎ ｎ+1ｎ-1

Ⅵ．ドップラーモードによる観測３．電気通信大学HFドップラー観測との比較

FM-CWレーダーによるドップラー観測は世界で初めて

(3秒値)

8.0MHz

8.0MHz夜が見えない弱点は他の周波数を使うことでカバーできる！（終日観測は可能）

地磁気変動を議論できるサンプリングで、FM-CWレーダーによるドップラー観測を実現した！

Ⅵ．ドップラーモードによる観測４．ドップラー観測による高度と速度との同時プロット

８．０ MHｚ

２．５ MHｚ

電気通信大学等のHFドップラーでは、完全な固定周波数を用いている為高度観測はできず、2.5MHzで観測してもE層とF層の区別は出来ない

Ⅵ．ドップラーモードによる観測５．HFドップラー観測と　　九大FM-CWレーダーのドップラーモード

　　　　　　　　 FM-CWレーダー　　　　　　　　　　　　　　 ドップラーモード　　　　 HFドップラー出力　　　　　　　　　 ２０W　 　　　　　 ２００W夜間の観測　　　周波数によっては可能　　　　 可能高度観測　　　　　　 可能　　　　　　　　　　 不可能時間分解能　　　　　　 数秒　　　　　　　　　　 数秒観測方向 鉛直上方 斜め上方

Ⅵ．ドップラーモードによる観測６．ドップラー観測の問題点

a.ドップラー周波数、及び速度から　電磁気的現象とそれ以外の現象を　識別することは非常に難しいb.狭い範囲しか見えない為、電離層の　密度変化と速度とを区別することが難しい　　　　　　　　　　　↓電場ドリフトの式：V = (E × B）/B から電離層電場を求めることが難しい　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　今後の課題

2

Ⅶ．まとめ・福岡県篠栗町において、FM-CWレーダーを用いた　電離層観測システムを構築した。・FM-CWレーダーを用いて、電離層イオノゾンデ観測を完成させ、　地磁気変動と相関のある変動を捕らえた。・海洋レーダーに用いられる解析法を応用して、　FM-CWレーダーを用いて電離層の鉛直方向ドップラー変動を　数秒周期で観測する手法を確立し、その有用性を実証した。

現在8.0MHｚ固定のドップラーモードで高度、ドップラー周波数、受信出力を観測し、箱崎キャンパスへのデータ転送を行っている。　今後の課題・8.0MHｚと2.5MHｚ等を使い分けた終日観測の実現。・ドップラーモードでの観測において、どのようにして密度変化と　高度変化、及び、中性大気的現象等と電磁気的現象とを識別するか。　→多点観測？