도플러 효과란 무엇인가?
일반적으로 전자기파를 사용한 신호를 송신지와 수신지가 주고받는다고 했을 때, 이들이 사용하는 신호는 특정 주파수로 정해져 있을 것입니다.
그리고 송신지가 특정 주파수를 가진 신호를 송신했을 때, 수신지에서는 그 주파수에 해당하는 신호를 수신받을 것입니다.
하지만 이는 송신지와 수신지가 서로 위치가 고정되어 있을 때, 즉 정지 상태에서만 통용될 수 있습니다.
송신지나 수신지가 정지 상태가 아닌 이동하고 있는 상태라면 이야기는 달라집니다.
차량이 정지 상태일 때의 주파수 수신
가운데 차량에서 송신된 전자기파를 A와 B 두 지점에서 수신받는다는 상황을 가정해보겠습니다.
차량이 정지 상태일 때는 A나 B나 차이 없이 동일한 주파수를 갖는 신호를 수신받을 것입니다.
차량이 이동할 때 발생하는 주파수 변화
하지만 만약 차량이 B의 방향으로 이동하는 중이라면, A와 B 두 지점에서 관측되는 주파수는 실제 송신된 주파수와 다를 수 있습니다. 이러한 현상을 도플러 효과라 합니다.
도플러 효과와 주파수 변화량
송신원과 수신지가 서로 가까워지는 상황에서 전자기파가 도플러 효과로 인해 주파수가 변화할 때,
그 주파수의 변화량은 위의 식으로 정리될 수 있습니다.
여기서 f는 관측되는 주파수이고, f0는 실제 주파수입니다.
또한 β는 광속에 대한 상대 속도로서, 대상이 빠르게 다가올수록 주파수는 점차 높아집니다.
가까워질 때와 멀어질 때의 차이
반대의 경우로 송신원과 수신지가 서로 멀어질 때는 주파수가 낮아집니다.
처음 그림에서 보이는 바와 같이 차량의 진행 방향에 해당하는 B 지점은 주파수가 높아졌지만, A 지점은 늘어난 것을 확인할 수 있습니다.
도플러 효과의 활용 분야
도플러 효과는 각종 분야에서 유용하게 이용될 수 있습니다.
대표적으로 이동하는 물체의 속도 및 방향을 감지하는 것입니다.
송신한 신호의 주파수와 반사되어 돌아온 신호의 주파수 차이를 가지고 역으로 계산하면, 이동하는 물체의 속도 및 진행 방향을 대략적으로 파악하는 것이 가능합니다.
소형 비행체 식별에서의 활용
또한 소형 비행체 같은 경우, 통상적인 전자기 탐지 기법인 Radar를 이용하여 RCS값을 산출 식별하는 방법은 식별능력이 저하되는 것이 사실입니다. 이를 보완하기 위하여 마이크로파 이상의 높은 주파수 대역의 신호를 이용하면, 물체의 진동이나 회전운동 등에 의해 도플러 효과가 발생합니다.
이에 따른 주파수의 변화로 물체의 대략적인 식별이 가능합니다.
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