ブリップ対スキャン比

レーダーシステムにおいて、ブリップスキャン比（ブリップ/スキャン）は、ターゲットがレーダー画面に表示された回数と、理論的に表示可能な回数の比率です。^[1]あるいは、正確な応答が受信されたスキャン回数と総スキャン回数の比率として定義することもできます。^[2]

「ブリップ」とは、プラン位置指示器(PPI) 表示に基づいて早期警戒レーダー上に描画される点を指します。「スキャン」とは、回転アンテナによって全天を 1 回探索することです。ブリップ対スキャン比が低いレーダーは、物体 (主に航空機) からの反射をほとんど取得しないため、検出が困難になります。

高速・高高度で飛行する航空機の場合、この比率はさらに低下し、航空機はレーダーにほとんど映らなくなります。このレーダーシグネチャの変化は、米国の提唱者であるフランクリン・ロジャースにちなんでロジャース効果とも呼ばれています。ロッキードU-2は、まさにこの理由から、より高速でステルス性に優れたロッキードA-12に置き換えられる予定でした。しかし、ソ連のレーダーシステムのアップグレードによりブリップスキャン比が増加し、A-12は配備される前に時代遅れになりました。^[3]

従来のレーダーは、無線信号の送信と受信のパルス間の遅延を計測して距離を測定し、信号が受信された瞬間のアンテナの機械的位置によって角度位置を決定します。空全体をスキャンするには、アンテナを垂直軸を中心に回転させます。返された信号は円形のブラウン管に表示されます。ブラウン管は、アンテナと同じ角度で、時間遅延によって中心からずれた点を生成します。その結果、アンテナの周囲の空域が 2 次元的に再現されます。このような表示は、プラン位置表示器 (通常、単に「PPI」) と呼ばれます。

これらの点はブリップと呼ばれます。最適な状況では、レーダーから送信されたすべてのパルスが返され、画面にブリップが表示されます。物体が大きいほど信号が強くなるため、ブリップも明るくなります。航空機の速度が遅い場合も、画面上のほぼ同じ場所に多くの反射が描画され、「加算」されるため、ブリップも明るくなります。

冷戦時代のレーダー ディスプレイでは、CRT の蛍光体コーティングが、アンテナの回転速度と同程度の半減期を持つように混合されていました。つまり、ディスプレイには、特定の物体からの最新の反射が明るい点として表示され、古い反射は消えるにつれてやや暗い点として表示されます。アンテナのスキャン速度に応じて、ディスプレイには 3 つまたは 4 つの点が表示される可能性があります。オペレーターは、最も暗い点から最も明るい点まで、移動方向を簡単に判断できます。

すべてのレーダーに共通する重要な特性の 1 つに、最大有効範囲を決定するパルス繰り返し周波数(PRF) があります。パルス間の時間は、1 つのパルスがシステムの最大範囲に到達し、次のパルスが始まる前に戻ってくることができるように、十分に長くなければなりません。たとえば、範囲が 300 キロメートル (190 マイル) になるように設計されたレーダーは、パルスが最大範囲を光速 (300,000 km/s) で移動して戻ってくるのに 2 ミリ秒待つ必要があります。つまり、このようなレーダーは最大で 1 秒あたり 500 パルス (PRF) しか送信できません。レーダーが 1 秒あたり 1000 パルスを送信した場合、特定の反射が、送信したパルスから 150 km 離れた物体からのものなのか、それとも前のパルスを反射した 300 km 離れた物体からのものなのかを判断することは不可能です。一方、150 km のレーダーでは 1 ミリ秒しかかからないため、1000 の PRF が可能になります。

PRF と絡み合っているのは、パルスの長さ、つまりデューティ サイクルです。これによってシステムの最小範囲が決まります。パルスが長いほど、物体によって反射されるエネルギーが多くなります。ただし、レーダー システムはパルスを送信している間は反射を検出できません。たとえば、最小範囲を 30 km にするには、レーダーのパルスの持続時間は 0.1 ミリ秒以下にする必要があります。早期警戒レーダーの場合、最小範囲は通常重要ではないため、リターンを最大化するために長いパルスが使用されますが、デューティ サイクルは設計上の重要な考慮事項です。

これら 2 つの要素の組み合わせにより、遠くの物体から返される信号の強度が決まります。デューティ サイクルを短くすると、最小範囲は広くなりますが、一定時間内に宇宙に送信される無線エネルギーが少なくなるため、返される信号の強度も低下します。同様に、範囲を改善するために PRF を下げると、システムがリスニングに費やす時間が長くなり、送信されるエネルギーの総量も減少します。つまり、長距離にある小さな物体を視認できるレーダー システム、特に短距離にある物体も検出できるレーダー システムを製造することは、本質的に困難です。現代の電子機器では、レーダーにさまざまな PRF とデューティ サイクルを設定して、さまざまな範囲で動作するようにするのは比較的簡単ですが、1950 年代の真空管ベースの電子機器では、これは非常に高価でした。

また、返される信号に影響を及ぼす機械的な効果もあります。レーダー アンテナは通常、角度分解能を向上させるために非常に狭いビームを生成するように配置されます。長距離レーダーでは、2 ～ 5 度のビーム幅が一般的です。ビーム幅と絡み合っているのはアンテナの回転速度です。回転するレーダーがスキャンごとに特定のオブジェクトをペイントするのにかかる時間も、回転速度によって決まるからです。たとえば、ビーム幅が 1 度のレーダーと、10 秒ごとに 1 回、つまり 1 秒あたり 36 度回転するアンテナを考えてみましょう。1 度のビームがオブジェクト上をスキャンするとき、オブジェクトは 1/36 秒間だけビームでペイントされます。レーダーの PRF が 500 の場合、オブジェクトはスキャンごとに最大 14 パルスでペイントされます。

さらに、冷戦時代のレーダー システムは完璧とは程遠いものでした。システムがオペレーターのディスプレイに目に見えるブリップを表示できるのは、システムの背景ノイズを上回るだけのエネルギーを持つ十分な反射を受信した場合にのみでした。大気の状態、内部コンポーネントからの電子干渉、その他の要因によって、「クラッター」と呼ばれる偽の反射が生成され、実際の反射が隠されたり、ブリップをオペレーターが正しく解釈することが困難になったりすることもありました。

これらの設計特性とグリッチに対する感受性が組み合わさって、レーダーのブリップ/スキャンが決まります。

こうしたさまざまな効果を利用して検出を回避する方法を理解するには、現実世界の例を検討すると役立ちます。議論されている期間中、ソビエト艦隊で最も一般的なレーダーの 1 つは、 P-20 レーダーとそのさまざまな改良版でした。このレーダーの PRF はモードによって約 375 ～ 750 PPS で、アンテナは約 6 RPM で回転し、角度ビーム幅は 2 度でした。一般的な高度で飛行する爆撃機サイズのターゲットに対して、検出範囲は約 250 キロメートル (160 マイル) になります。最大高度角は 28 度で、ステーションの上空のかなりの領域がスキャンされないことを意味していました。

時速 1000 km で飛行する典型的な初期のジェット機を考えてみましょう。アンテナが 1 回転するごとに (10 秒かかります)、航空機は時速 1000 km = 278 m/s * 10 = 2780 m、つまり 3 km 弱移動します。半径 300 km のディスプレイでは、これはディスプレイ面 (直径 600 km) のわずか 0.5% の移動を表し、2 つのドットの間には、オペレーターが航空機として簡単に解釈できる小さな線分が生成されます。

しかし、ターゲットの速度が上がると、スコープ上でその動きがより顕著になり、認識しにくくなり、追跡が難しくなります。マッハ 3 (高度 25,000 m で時速 3,500 km) では、同じ 10 秒間の動きがディスプレイの 1.5% 以上を占めます。この時点で、ゆっくりと移動するドットは一連のぼんやりとした個別の点に変わり、雑然としたものと間違えられやすくなります。さらに、点がディスプレイ上で分離されるため、反射が「加算」されなくなり、反射が背景ノイズと同じレベルにまで減少して見えなくなる可能性があります。

画面に小さな点の列が映し出されるのを見たオペレーターは、最終的にその帰還機が航空機であると認識するかもしれない。これさえも困難にするため、航空機は可能な限り高く飛ぶように設計されている。90,000 フィート (27 km) で高速航空機を飛行させると仮定すると、これは、航空機がステーションの約 100 km (62 mi) 以内に接近したときにレーダーの最大角度を超えることを意味する。250 km (160 mi) で最初に検出されたと仮定すると、150 km (93 mi) の範囲でしか視認できないことを意味する。マッハ 3 では、理論上でさえ約 3 分間視認できることを意味する。これでは、迎撃を手配する時間はほとんど残されていない。

そして、ブリップ/スキャンを使用して検出を回避するという概念が生まれました。高速で高高度を飛行する航空機は、早期警戒レーダーに認識されずに上空を飛行する可能性があります。さらに、オペレーターがブリップを航空機として認識したとしても、返される回数が少なく、画面上での動きが速いため、迎撃航空機に中継するための軌道を手動で計算することは困難または不可能になります。

ブリップ/スキャン スプーフィングは、地上管制による有人迎撃機の迎撃が唯一の実用的な対爆撃機戦術であった 1950 年代後半に発見されました。これは、短期間で失敗に終わったものの、小規模な軍拡競争につながりました。

ロッキードU-2は高高度を飛行したが、特に高速ではなかった。U-2が1956年6月に運用される前から、CIA当局はソ連が対抗手段を開発する前にソ連上空を安全に飛行できる寿命は18か月から2年であると見積もっていた。^[4]上空飛行が始まり、ソ連がU-2を追跡する能力を示し、迎撃するための確実な試みを行った後、この推定は下方修正され、1956年8月、リチャード・ビッセルはさらに6か月に減らした。^{[5]実際には、この期間はわずかに長かったが、} 1960年のU-2危機で全体的なポイントが憂慮すべき形で実証された。

U-2の後継機は、運用開始前から検討されていた。当初、これらの研究はレーダー断面積（RCS）の低減に完全に焦点が当てられていたが、1957年にフランクリン・ロジャースがブリップ/スキャンを偽装するアイデアを発表した後、計画は高速、高高度の設計を研究するように変更された。ロッキードは、既知のソ連のレーダーに対して有効であるためには、航空機は90,000フィートでマッハ2からマッハ3の間で飛行し、RCSは約10平方メートルでなければならないと計算した。これにより、ロッキードA-12とコンベアキングフィッシュに絞り込まれたいくつかの提案が出された。^[6]

これらの航空機の開発中に、ブリップ/スキャン回避の問題が明らかになりました。これらの航空機エンジンの高温排気ガスは、特定の波長でレーダーエネルギーを反射し、大気中にしばらく残ることが発見されました。ソ連はレーダーを改造してこれらの周波数を使用し、間接的ではあるが確実にターゲットを追跡することが可能でした。^[6]

また、ブリップ/スキャン回避は、レーダー自体の固有の問題というよりも、ソ連のディスプレイの問題に大きく依存していることも判明しました。つまり、ディスプレイを変更すると、この手法が意味をなさなくなる可能性があるということです。レーダー反射をコンピューターに記録し、物理的な反射とは明るさが独立したアイコンとしてターゲットをディスプレイに描画するシステム (反射を「加算」しなくてもディスプレイに表示できるシステム) により、オペレーターが混乱する可能性が排除されました。これは特に懸念すべきことでした。なぜなら、USAF自体がSAGEプロジェクトの一環として、まさにこの種のディスプレイを導入中だったからです。

ついに、初の効果的な対空ミサイルの導入により、状況は劇的に変化しました。空中迎撃を計画するレーダーは、画面上を移動する迎撃機を目標に誘導する十分な時間をオペレーターに与えるため、一般的には可能な限り長距離に作られていました。このため、ブリップ/スキャン比が低くなり、航空機の軌道の予測が不正確になりました。さらに、迎撃機を迅速にスクランブルすることが困難でした。

ミサイルはこれら両方の問題を解決した。ミサイル基地は独自のレーダーシステムでミサイルを誘導したが、その最大射程距離はミサイル自身の飛行距離（SA-2ガイドラインの場合約40km ）よりわずかに長いだけであったため、PRFははるかに高く、結果としてブリップ/スキャンの問題は大幅に軽減された。防御側はミサイルの反撃に備えるために時間内に目標を見つけるという問題を抱えていたが、これは決して有人航空機を緊急発進させ、航空機がレーダー範囲を離れる前にレーダーオペレーターに目標まで誘導してもらうことほど難しくも時間もかからない。

A-12が1960年代初めに運用された頃には、ブリップ/スキャン回避技術はもはや有用ではないと考えられていた。A-12はソ連上空を飛行することはなく（飛行に近づいたことはあったが）、ベトナムのような他の国に対する任務に限定されていた。ここでも航空機の性能は疑問視され、A-12はSA-2ミサイルによる攻撃を数回受け、1967年10月30日の飛行で軽微な損傷を受けた。^[6]

• Queen, FD; Maine, EE, Jr.,ブリップスキャン比スコアリングシステム、1974年、海軍研究所、ワシントンDC。