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
宇宙地球電磁気学研究分野●

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

石原 隆一

Ⅰ．ＦＭ-ＣＷレーダー導入の背景
磁力計設置点Ⅰ．ＦＭ-ＣＷレーダー導入の背景
観測

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：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-ＣＷ
Frequency-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）
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
主な特徴
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

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)
・・・

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

電離層観測機としてのFM-CWレーダーはまだ少ない

Ⅱ．ＦＭ-ＣＷレーダーとは・・・？（開発研究の目的）
FM-CWレーダーを用いた電離層電場の推定法
（観測）

（推定）

V ＝ (E2B)/B（電場ドリフト）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！

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
2001年9月

無線局免許取得

九州大学運用開始

・宇宙地球電磁気学研究室
・SERC(宙空環境研究センター)

福岡県篠栗町
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

Ⅳ．FM-CWレーダーによる距離測定の基本原理

周波数掃引（sweep）＊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
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・・・？
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！

プラズマ周波数は電子密度と対応
ｆｐ〜8.98Ne√

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

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

ピークから下を観測

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）

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
イオノゾンデモードによるイオノグラム

Frequency

数分間数十MHzTime
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

Scによって浸入した電離層電場

電離層電流及び地上磁場変動

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
電離層電場
太陽放射の変動

ｆT+ ｆ ｆT

伝搬性電離圏擾乱（TID）

ｆ（電離層擾乱）電離圏の特異現象
地震
・Spread-F
火山の爆発
・Sporadic-E
下層大気中の気象擾乱
・Typhoons/Hurricanes/Cyclone
・TornadoⅥ．ドップラーモードによる観測

Frequency

２．FM-CWレーダーによるドップラー観測の原理

ｎ=
1 2

3

1秒以下

4数
十kHz

f0
XD1 XD２ XD３ XD４

XDｎ
Time

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

ドップラー周波数： ｆ

XD1=AcosφD1
2v=Acos{φ0 + 2πf0
c + kτ}ｆD1：距離情報

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）＊海洋レーダーに用いられる方法の応用
XDn(t)
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
XDn(ｆ)FFT １ｓｔ

XDｎ(ｆ)
XD(ｆ,t)
同じｆDを持つXDｎ(ｆ)を集めて来る

Frequency

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
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！

ｎ-1 ｎ

XDｎ

ｎ+1Time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(3秒値)

8.0MHz8.0MHzFM-CWレーダーによるドップラー観測は世界で初めて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

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２．５
MHｚE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

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

出力

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 = (EB）/B2 から電離層電場を求めることが難しい↓
今後の課題

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？