[論文レビュー] A wave effect enabling universal frequency scaling, monostatic passive radar, incoherent aperture synthesis, and general immunity to jamming and interference

V. Guruprasad|ArXiv.org|Dec 14, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、スペクトル位相走査による周波数依存の周波数シフトを活用して、普遍的な周波数スケーリングと受動レーダーを可能にする新規な波動効果を提案する。この手法により、モodulationではなく物理的距離に基づく信号分離が可能となり、モノステイティック受動レーダー、非コherentなアパーチャ合成、およびジャミングに対する本質的免疫性が実現される。主な結果は音声データおよび宇宙論的データで確認された。

ABSTRACT

A fundamental Doppler-like but asymmetric wave effect that shifts received signals in frequency in proportion to their respective source distances, was recently described as means for a whole new generation of communication technology using angle and distance, potentially replacing TDM, FDM or CDMA, for multiplexing. It is equivalent to wave packet compression by scaling of time at the receiver, converting path-dependent phase into distance-dependent shifts, and can multiply the capacity of physical channels. The effect was hitherto unsuspected in physics, appears to be responsible for both the cosmological acceleration and the Pioneer 10/11 anomaly, and is exhibited in audio data. This paper discusses how it may be exploited for instant, passive ranging of signal sources, for verification, rescue and navigation; incoherent aperture synthesis for smaller, yet more accurate radars; universal immunity to jamming or interference; and precision frequency scaling of radiant energy in general.

研究の動機と目的

• 非ゼロのスペクトル帯域幅を有する波動方程式の解に基づき、物理的距離に依存する新たな物理的メカニズムを確立し、受動レンジ測定および信号分離を実現すること。
• 周波数変調に基づく多重化に代わる、距離依存の周波数シフトを用いた物理的ソース分離により、従来のレーダーおよび通信システムの限界を克服すること。
• コherent信号処理や外部送信機を必要とせず、モノステイティック受動レーダーおよび非コherentなアパーチャ合成を可能にすること。
• モodulationや電力とは無関係に、送信源の距離を分離基準として用いることで、ジャミングおよび干渉に対して本質的免疫性を提供すること。

提案手法

• 本手法は、受信信号のスペクトル位相を $ d\tilde{k}/dt $ のレートで走査することに依存し、送信源距離 $ r $ に比例する周波数シフト $ \beta r/c $ を生成する。ここで $ \beta $ は受信機の周波数選択の正規化された変化率である。
• 波のスペクトル位相の勾配 $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} $ を用いて、シフト $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} $ を誘導し、これは距離依存の周波数シフト $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{r}{\tilde{k}c} \frac{d\tilde{k}}{dt} $ に相当し、$ \frac{\beta r}{c} $ に等しい。
• コアとなる式 $ z(r) = \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{r}{\tilde{k}c} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{\beta r}{c} $ は、距離および走査レートの関数として正規化周波数シフトを定義する。
• 信号分離は、受信波形に時間変動遅延変換 $ \tilde{G} $ を適用することで達成され、位相コherーに依存しないアパーチャ合成が可能になる。
• 本手法は、帯域全体にわたる分離が失敗する場合でも、サブバンドフィルタリングを用いてソース分離を実現する。これは、$ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} \neq 0 $ である条件に依存し、各送信源の距離ごとに明確なシフトを保証する。
• 複数回の周波数走査からの位相シフトを用いた時間的パララックスを用いて、三平方による距離推定が可能となり、往復時間（RTT）測定を必要としない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コherent信号処理や外部送信機を必要とせず、受信信号に距離依存の周波数シフトを生じさせる根本的な波動効果は存在するか？
• RQ2 この効果を用いて、モodulationや電力ではなく物理的送信源距離に基づき複数の信号を分離し、普遍的な周波数スケーリングを実現できるか？
• RQ3 このメカニズムは、信号が破壊的干渉状態にあったり、同じ周波数とモdulationを共有していても、ジャミングおよび干渉に対して本質的免疫性を提供するか？
• RQ4 この効果を用いて非コherentなアパーチャ合成を達成でき、位相コherーに依存しない高精度なレーダー像を生成できるか？
• RQ5 この効果は、以前説明がつかなかった現象（例えばパイオニア異常や宇宙論的加速）を説明できるか？

主な発見

• 本論文は、非ゼロのスペクトル帯域幅を持つ実際の信号が、周波数間の位相勾配に送信源距離の情報を内蔵しており、スペクトル位相走査により受動レンジ測定が可能であることを示した。
• 周波数シフト $ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} = \frac{\beta r}{c} $ は送信源距離 $ r $ に比例し、$ \beta $ は正規化走査レートを表す。これにより、普遍的な周波数スケーリングが可能になる。
• 受信機自身の周波数走査を用いることで、別個の送信機を必要とせず、モノステイティック受動レーダーが実現される。
• 信号分離はモdulationではなく距離に基づくため、同じ周波数、モdulation、またはスプレッドコードを共有する信号であっても、分離が可能になる。
• 条件 $ (1 + \beta r_i)\frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\theta\theta\theta}{dt} \text{ at } \theta\theta\theta \text{ and } \theta\theta\theta \text{ at } \theta\theta\theta \text{ for } \theta\theta\theta $ が満たされ、$ \frac{\theta\theta\theta}{\theta k} \frac{d\tilde{k}}{dt} $ が非ゼロで帯域制約が満たされていれば、分離性が保証される。
• 非コherentなアパーチャ合成が可能となり、コherent信号処理を必要とせず、サブ波長分解能とノイズ抑制が実現可能である。これは、ハンドヘルドまたは低消費電力レーダーシステムにおいても実現可能である。