レーダー
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レーダー (Radar) は電磁波を対象物に向けて発信し、その反射波を測定することにより、対象物までの距離や方向を明らかにする装置である。
電波法施行規則第2条では「決定しようとする位置から反射され、または再発射される無線信号と基準信号との比較を基礎とする無線測位の設備をいう。」と定義されている。遠くにある物との距離を電磁波によって計測し、図示することで、飛行機の位置を把握したり、雨量の計測に使用するシステムに使われている。
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語源
Radarという単語は定着したアクロニムであり、英語の Radio Detecting and Ranging（無線探知測距） からきている。これは、アメリカ人による命名であり、当初イギリスでは無線方向探知機（RDF:Radio Direction Finder (Finding) ）もしくは高周波方向探知器（HFDF:High Frequency Direction Finder (Finding) ）と呼ばれていた。
原理
電磁波は直進性・定速性が高いため、強い電磁波を一方向へ向けて放射し、反射して返ってくる電磁波を受信して放射と受信までの時間差を計測することで、その方向にある何らかの電波反射物までの距離を知ることができる。気象用レーダーでは、空中に漂う雨粒や雪片との距離に加えて反射波の強度からそれらの密度を検知することで、その地点での雨量（降水強度）を予測する。
レーダーでは、波長の長い（＝周波数が低い）電波を使うと電波の減衰が少なく、遠くまで探知することができるが、分解能が低くなるため、目標の解像度は悪くなる。逆に、波長の短い（＝周波数が高い）電波は、空気中に含まれる水蒸気や雲・雨などに吸収・反射され易いので減衰が大きく、遠くまで探知することはできないが、高い解像度を得ることができる。
したがって、対空レーダーや対水上レーダーなど、遠距離の目標をいち早く発見する必要性のあるものでは周波数が低い電波を、射撃管制レーダーなど、目標の形・大きさなどを精密に測定する必要性のあるものでは周波数が高い電波を使用するのが適している。
歴史
発明
電波による遠隔物体の感知の歴史は電磁波研究の最初期、つまりドイツのハインリッヒ・ヘルツが電磁波の実験を行っている時、周囲に存在する導体との干渉を発見した時にまで遡る。1900年初頭には、ドイツでは航海安全のための電波利用が実際に行われていた。1904年にドイツのクリスチャン・ヒュルスマイヤー (Christian Hülsmeyer) は、火花式送信機とコヒーラー受信機により距離5kmの船舶の探知を実用化し、英国において"Telemobiloscope"の名で特許を取得したが、この技術には需要が無く忘れられてしまった[1]。
黎明期
1930年頃から英米国では、電離層の観測目的で電波の利用が行なわれていた。その後、航空機の通過で観測が妨害される現象を逆に使用して、航空機を発見するためのラジオ・ロケーターと呼ばれるレーダーの開発が始められた。イギリスはこの電磁波を兵器（殺人光線）に利用できないかロバート・ワトソン＝ワットに打診し、殺人光線としては利用できないが、航空機の早期発見には役立てることができるだろうとの見通しを得た。最初に航空機の探知に成功したのは1935年の英国である。
実用化と軍事への応用
1930年代に、ドイツでは、ヴィルスンとアーブスローが海軍司令官エーリヒ・レーダーの指示のもとで、イギリスでは、ロバート・ワトソン＝ワットらにより航空省が援助して開発が進められ実用化され、1940年にイギリスはドイツ空軍の空襲に対する迎撃戦闘で大々的に使用し、ドイツのイギリス侵攻の阻止に大いに役立った。
ドイツ空軍の空襲に対してイギリス空軍はレーダーを使った防空システムの整備により有効に対処することができ、この戦いは戦局の分水嶺となった。また、イギリス空軍は、ドイツ空軍による夜間爆撃に対抗するため、機上レーダーを搭載した夜間戦闘機を1941年に世界に先駆けて実用化し、ドイツ空軍の夜間爆撃を封殺した。
海上戦闘でも、サボ島沖海戦やビラ・スタンモーア夜戦で、アメリカ海軍がレーダーを活用して日本海軍を相手に勝利をおさめた。補給路を脅かす潜水艦に対してもレーダーは有効に働き、連合軍の海上輸送路の防衛に大きな役割を果たした。こうして、レーダーは戦略上重要な兵器であることを実証した。
ドイツ本土防空戦においては、イギリス空軍が夜間爆撃機の航法ためにマッピング・レーダーを搭載した。一方でドイツ空軍は夜間爆撃機に対して、夜間戦闘機にリヒテンシュタイン・レーダーなどを搭載して対抗したが、イギリス空軍も夜間戦闘機を護衛につけるなど対抗策を取ったため、イギリス空軍の夜間爆撃機が大打撃を被ることは少なかった。
日本でも、本土防空用にレーダーを組み込んだ早期警戒システムを整備したり、レーダー搭載の夜間戦闘機を開発したが、情報を管理するシステムに問題があり、戦闘機の数自体も不足していたため、有効に機能することはなかった。
八木・宇田アンテナ
1925年（大正14年）日本人の発明した八木・宇田アンテナ（以降、「八木アンテナ」）は、既存の技術に比べると非常に容易に指向性を得ることができる、実に画期的な技術だった。しかし、日本では全く反響が無く学会から無視された[2]。しかし欧米では大々的な評判を呼び、各国で軍事面での技術開発が急速に進んだ。英国ではバトル・オブ・ブリテンの時点では無指向性アンテナを使用する短波帯の「CHレーダー」により、複数地点より観測して目標位置を特定していたが、直ぐに八木アンテナを使用したVHFレーダーを実用化した[1]。
日本での歩み
日本でのレーダーは、1939年に陸軍が連続波で航空機からの反射波の受信に成功している。その後、陸軍ではいくつか電波警戒機という名の装置を銚子や東京湾入り口に備えたが役には立たず、その後も「た号1型」「た号2型」を開発して対空高射砲陣地に備えたが、あまり成果は挙がらなかった。このためもあって、1942年8月にはドイツの新型「ウルツブルグ・レーダー」の入手を計画して伊号第三〇潜水艦で輸入を試みたが、シンガポールで触雷して沈没した。
一方、海軍技術研究所では、伊藤庸二造兵中佐の下でマイクロ波パルスを利用した「暗中測距儀」の実験を独自に行っていた。1940年秋の大観艦式の際に艦船からの波長10cmの反射波が捕らえられ、レーダー開発の可能性がもたらされた[3]。さらに、1941年には伊藤ら海軍の視察団がドイツへ渡ってレーダーを含む軍事技術の供与を依頼したが、ドイツにとってもレーダーは極秘事項だったために伊藤らに公開された情報はわずかなものだった。また、ロンドン駐在の濱崎諒中佐もバトル・オブ・ブリテンにおける英国のレーダー部隊の実戦投入と活躍を報告し、その有効性を主張している。しかし、海軍中央は八木アンテナやレーダーの効果よりも、自ら電波を出して敵に発見される危険性の方を重視したため、開発には消極的であった。第二次世界大戦の最初期では、まだレーダーはそれほどの性能を持たなかったため、戦局は日本が優位に進めた。しかし、時代が進みレーダーの性能が加速度的に進化した結果、日本軍は多くの戦いでアメリカ軍に苦汁を飲まされる事となる。 レーダーの重要性を痛感した日本海軍は慌てて開発に力を入れた[2]。1942年に戦艦「日向」において実験を行なったがあまり良い結果が得られずそのままミッドウェー海戦に参加した。日本海軍ではその後も開発を続け、1941年に戦艦「大和」級に水上索敵と射撃管制用の「2号2型電探」を備えてはじめて実戦に使用可能なレベルのレーダーを手にした[4]。初期のレーダーは雨が降ると反射されほとんど役に立たなかったうえ指向性も不十分だったが、改良を続けることにより光学測距と遜色ない精度がでるようになり、事例は少ないが日本海軍においてもレーダー射撃による対艦攻撃が実践された。2号2型電探は1000台以上量産され、主力艦から駆逐艦まで多くの艦艇に装備された。
戦局の悪化で本土防空戦が始まり、高性能な対空レーダーも必要とされたが、当時の日本軍のレーダーは「電波警戒機甲型」という名称のドップラー・レーダーで探知性能は極めて低かった。そこで「乙型」が開発されたが、性能は有効射程300キロ、方向は大まかにしか特定できず、高度測定は不可能であった。更に真空管が頻繁に故障を起こした。乙型は1940年のバトル・オブ・ブリテンで活躍した程度のレーダー性能は持っていた。後に開発された四号二型は、測距精度50m、測角精度1度であったが、生産台数が少なく、また戦争の大勢は決した後であった[5]。また優れたレーダーが設置されてもアメリカ軍の妨害電波で無力化されたという場面もあった。
日本語では、電波の照射の跳ね返りにより位置を探るものを「電波探信儀」、相手の発する電波によって方向探知するものを「電波探知機（もしくは受信機）」と呼び、双方共に短く「電探」と呼んでいた（後者においては「逆探」と呼んでもいた）。なお、これは日本海軍での呼び方とされており、日本陸軍では特に前者を「電波警戒機」と呼称した。
なお、八木アンテナはその後、主に家庭のテレビアンテナなどとして広く使用されるが、21世紀の現在でも当初の頃からほとんど変わっていない。それだけ完成度の高い技術だったことになる。
技術の向上
電磁波の発生には、マグネトロンやクライストロンなどの真空管を使うことが多いが、ガン・ダイオードや終段回路を集積したマイクロ波集積回路への置き換えが進行中である。その進歩によりレーダーの性能も上がっていった。アンテナは、電波周波数の上昇により、四角い網状のものだけでなく、皿状のパラボラアンテナも使うようになった。
現在のレーダー装置の多くは、パルス状に電波を送信して送信をしない間は受信を行なうパルスレーダーという方式である。これによりアンテナは1つで済むが、アンテナを送信用と受信用の2つを備えた常時送受信を行なうレーダー方式もある。
距離の測定精度はパルスの幅とS/N比によって決まる。方位や仰角の精度は送信ビームの幅とS/N比によって決まり、送信ビームの幅は送信周波数/アンテナの開口長で決まる。複数のわずかにずれたビームによって測定精度を向上させることができる。目標との距離の変化は、受信周波数の変化から測定する。
パルスドップラーレーダーと呼ばれる方式では、時間軸では無く周波数軸を測定することにより、一次的に速度を、二次的に距離を測定する。
平均エネルギーが大きく小型でも比較的遠距離を探知可能であるため、戦闘機などの搭載レーダーに多用される。
連続した受信パルスをフーリエ変換することで、かなり正確に周波数の変化を測定し、速度を求めることができる。
軍事用レーダーでは目標以外の反射波は本来不要であり、地面、海面、雲、雨などは「クラッタ」として有意情報からは除外されなければならない。気象レーダーなどでは航空機などによる反射波は不要であり、雲や雨が有意情報である。軍事用レーダー装置では固定した反射波は地面や海面からのクラッタとして、ここからの検出をのみを抑制することで不要な情報をフィルターする、「クラッタマップ」と呼ばれる仕組みがある。また、同じような技術に「Moving Target Induction:MTI」と呼ばれるドップラーシフトが0の信号を抑制する方法がある。これらは自らの位置が移動する航空機のレーダーでは、自己位置の移動分を補正する必要がある。
軍事技術の一つにステルス性があり、これはなるべく敵レーダーへの反射波を返さない技術である。近年では、計算機の発展に伴い、外面が曲面で構成されたステルス兵器もあるが、ステルス兵器が出現した当初は、平面で構成された外面を持っていた。これは、レーダーが送信されてきた方向へはなるべく反射波を返さずに、送信方向とは別の特定の方向にまとめて反射させる工夫である。ステルス技術には電波を吸収する工夫も含まれており、通常は形状によるステルスと共に電波吸収剤も併用される。電波を別方向に反射するステルス兵器を発見するためには、「バイスタティックレーダー（またはマルチスタティック・レーダー）」と呼ばれる送信アンテナと受信アンテナが遠く離れたレーダーシステムが有効だと考えられている。また、電波吸収体は吸収する周波数が固定されるため、広い周波数帯のレーダーが有効だと考えられている[4]。
表示方式の変遷
初期のレーダーは、旧日本海軍の二二号電探（二号二型電波探信儀）でも採用されたAスコープ表示方式が用いられた。縦軸に電波強度、横軸に時間を取ったオシロスコープに波形を表示（心電図のようなイメージ）させることにより、強度が最も大きい反射波が戻ってくる時間から対象物までの距離を読み取っていた。レーダー送信機の方向は別に表示されていたため、他方向に多数の対象物が存在する場合、一覧することができなかった。
次の世代のレーダー表示器は、PPIスコープ (Plan Position Indicator scope) と呼ばれる円形の表示器に、時計方向に回転する走査線（アンテナが探査波を発射し反射波を受けている方向を表す）によって、対象物の二次元上の所在を一覧できるようになった。また、Bスコープと呼ばれる表示方式では横軸に方位、縦軸に距離（あるいは目標の速さ）を示す方式で戦闘機などの対空レーダーに利用されている。
現代のレーダー表示器は通常のラスタースキャンディスプレイ上に、対象物の情報を文字表示したり、既にデータベースにある地形情報などを合成して表示することが可能である。
周波数帯
以下にレーダー波に関する代表的な周波数帯の分類を示す。
一般的な周波数帯
| |||||
IEEE規格
| バンド名 | 周波数範囲 | バンド名の由来 |
|---|---|---|
| HF バンド | 3 - 30 MHz | High Frequency |
| VHF バンド | 30 - 300 MHz | Very High Frequency |
| UHF バンド | 300 - 1000 MHz | Ultra High Frequency[7] |
| L バンド | 1 - 2 GHz | Long wave |
| S バンド | 2 - 4 GHz | Short wave |
| C バンド | 4 - 8 GHz | Compromise between S and X （S と X の中間） |
| X バンド | 8 - 12 GHz | Cross = 十字の照準線に由来[8] |
| Ku バンド | 12 - 18 GHz | Kurz-under |
| K バンド | 18 - 27 GHz | ドイツ語での Kurz （短い） |
| Ka バンド | 27 - 40 GHz | Kurz-above |
| V バンド | 40 - 75 GHz | |
| W バンド | 75 - 110 GHz | |
| mm バンド | 110 - 300 GHz |
EU, NATO, US のECMバンド一覧表
EU、NATO、米国で使用されている軍用電波での周波数帯の分類を以下に示す。近年（2008年現在）では軍用兵器の周波数表記にこれらが使用されており、従来のIEEE表記と異なることに注意が必要である。
| バンド名 | 周波数範囲 |
|---|---|
| A バンド | 0 - 0.25 GHz |
| B バンド | 0.25 - 0.5 GHz |
| C バンド | 0.5 - 1.0 GHz |
| D バンド | 1 - 2 GHz |
| E バンド | 2 - 3 GHz |
| F バンド | 3 - 4 GHz |
| G バンド | 4 - 6 GHz |
| H バンド | 6 - 8 GHz |
| I バンド | 8 - 10 GHz |
| J バンド | 10 - 20 GHz |
| K バンド | 20 - 40 GHz |
| L バンド | 40 - 60 GHz |
| M バンド | 60 - 100 GHz |
導波管周波数のバンド一覧表
| バンド名 | 周波数範囲 [9] |
|---|---|
| R バンド | 1.70 - 2.60 GHz |
| D バンド | 2.20 - 3.30 GHz |
| S バンド | 2.60 - 3.95 GHz |
| E バンド | 3.30 - 4.90 GHz |
| G バンド | 3.95 - 5.85 GHz |
| F バンド | 4.90 - 7.05 GHz |
| C バンド | 5.85 - 8.20 GHz |
| H バンド | 7.05 - 10.10 GHz |
| X バンド | 8.2 - 12.4 GHz |
| Ku バンド | 12.4 - 18.0 GHz |
| K バンド | 15.0 - 26.5 GHz |
| Ka バンド | 26.5 - 40.0 GHz |
| Q バンド | 33 - 50 GHz |
| U バンド | 40 - 60 GHz |
| V バンド | 50 - 75 GHz |
| W バンド | 75 - 110 GHz |
| Y バンド | 325 - 500 GHz |
上には示されていないが、周波数の表現の1つにマイクロ波（Microwave）があり、これは注意が必要である。 第二次世界大戦が始まった頃のレーダーは波長が数mから数十m程度（短波領域）と長く、大戦中にcm台のものが開発された。当時はこれが非常に短い波長であると考えられ、この新たな波長領域は「マイクロ波」と名付けられた。現在でも1mから1mm弱程度の電波領域がマイクロ波と呼ばれるが、この領域は1cmから1mmの「ミリメートル波」（ミリ波）と呼ばれる領域を含んでおり、10-6を意味するマイクロが10-3を意味するミリを含むようで混乱を招く。マイクロ波のマイクロは10-6を示すのではなく、「極めて小さな」という意味で使われている[10]。
第二次大戦時の主な軍用レーダー
| 名称 | 用途 | 範囲 | 出力 | 周波数 | 波長 |
|---|---|---|---|---|---|
| 二号一型 | 対空捜索 | 54海里 | 5kW< | 200MHz | 150cm |
| 二号二型 | 対水上捜索／射撃 | 19海里 | 2kW | 2.5GHz | 10cm |
| 一号三型 | 対空捜索 | 54海里 | 10kW | 150MHz | 200cm |
| 名称 | 用途 | 範囲 | 出力 | 周波数 | 波長 | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SK | 捜索 | 150海里 | 330kW | 200MHz | 不明 | 主力艦用 |
| SC | 駆逐艦用 | |||||
| SD | 20海里 | 140kW | 114MHz | 潜水艦用 | ||
| SG | 対水上射撃 | 50kW | 不明 | 3cm | 不明 | |
| Mk.3 | 20kW | 40cm | ||||
| Mk.8 | 10cm | |||||
| Mk.13 | 50kW | 3cm |
脚注・出典
- ^ a b "DEFLATING BRITISH RADAR MYTHS OF WORLD WAR II, Maj. Gregory C. Clark, The Research Department, Air Command and Staff College, USA, March 1997"
- ^ a b COBS ONLINE 20世紀の発明品カタログ 第4回 世界の屋根に君臨する、八木アンテナ（2002年1月9日）
- ^ "海軍技術研究所―エレクトロニクス王国の先駆者たち, 中川 靖造"
- ^ a b 『防衛用ITのすべて』防衛技術ジャーナル編集部編（財）防衛技術協会 ISBN4-9900298-1-X
- ^ 『帝都邀撃隊の世界』滝沢聖峰・著
- ^ IEEEはアメリカ合衆国の電気・電子技術に関する技術者の学会であり、規格名はIEEE 521-2002
- ^ 216 - 450 MHz はPバンドと呼ばれることがある。これは従来イギリスのレーダーで使われていた周波数帯であり、現在はより高い周波数へ移動しているためである。
- ^ X は第二次世界大戦の時代にこの電波帯が火器管制に使用されたため、十字の照準線を意味する Cross = X に由来する。
- ^ www.microwaves101.com "Waveguide frequency bands and interior dimensions"
- ^ 防衛技術ジャーナル編集部編 『ミサイル技術のすべて』 （財）防衛技術協会 2006年10月1日初版第1刷発行 ISBN 4-9900298-2-8
レーダーの種類
関連項目
- レーダーサイト
- レドーム
- 港
- 海上交通センター
- 空港
- 航空管制官
- 飛行場
- 気象レーダー
- ステルス性
- チャフ
- ソナー
- マグネトロン
- ウルツブルグ (レーダー)
- 合成開口レーダー
- ジャミング
- レーザーレーダー
- アンテナ
