モノパルスレーダー

モノパルス レーダーは、無線信号の追加エンコードを使用して正確な方向情報を提供するレーダーシステムです。この名前は、単一の信号パルスから距離と方向を抽出できることに由来しています。

モノパルスレーダーは、信号強度の急激な変化によって混乱する可能性がある円錐走査レーダーシステムに見られる問題を回避します。また、このシステムにより妨害が困難になります。1960 年代以降に設計されたレーダーのほとんどはモノパルスシステムです。モノパルス方式は、電子支援手段や電波天文学などの受動システムでも使用されます。モノパルスレーダーシステムは、反射アンテナ、レンズアンテナ、またはアレイアンテナを使用して構築できます。

歴史的に、モノパルスシステムは位相比較モノパルスまたは振幅モノパルスのいずれかに分類されてきました。現代のシステムでは、振幅と位相の両方の情報を含むモノパルス比から方向を決定します。^{[1] [2]}モノパルス法では、測定信号がパルス化されている必要はありません。そのため、「同時ロービング」という別名が提案されましたが、普及しませんでした。

円錐スキャンはモノパルス レーダーの一種とは見なされていませんが、次の概要は理解を助ける背景情報を提供します。

円錐スキャン システムは、アンテナのボアサイトの片側にわずかに信号を送信し、フィード ホーンを回転させてローブをボアサイト ラインの周りで回転させます。ボアサイトの中心にあるターゲットは常にローブによってわずかに照らされ、強い反射を提供します。ターゲットが片側にある場合、ローブがその方向を向いているときにのみ照らされるため、全体的に信号が弱くなります (回転が遅い場合は点滅します)。この変化する信号は、アンテナがターゲットの方向に揃うように回転すると最大になります。

この最大値を探して、その方向にアンテナを動かすことで、ターゲットを自動的に追跡できます。これは、照準器の両側にわずかに傾けた 2 つのアンテナを使用することで大幅に容易になります。追跡は、アンテナの回転期間中に最大点を探すのではなく、単純な電子工学で 2 つのアンテナからの信号を比較することで実行できます。

このアプローチの問題の 1 つは、レーダー信号の振幅がビームの位置とは関係のない理由で頻繁に変化するという点です。たとえば、数十分の 1 秒の間に、ターゲットの方向の変化、雨雲、その他の問題が、返される信号に劇的な影響を与える可能性があります。円錐スキャン システムは、ビームに対するターゲットの位置によってのみ信号が強まったり弱まったりすることに依存しているため、反射信号がこのように変化すると、ビームのスキャン領域内のターゲットの位置について「混乱」が生じる可能性があります。

円錐形スキャナを妨害するのも比較的簡単です。妨害装置は、レーダーの周波数で、最も強い反射であるとレーダーに思わせるだけの強度の信号を送信するだけです。この場合、一連のランダムな短い信号バーストが、ビーム内のさまざまな場所にある一連のターゲットのように見えます。この種の妨害は、信号をフィードの回転速度と同じタイミングにし、わずかに遅延させて送信することで、ビーム内に 2 番目の強力なピークが生じ、2 つを区別できなくなります。この種の妨害装置は、かなり早い段階で配備されました。イギリス軍は、第二次世界大戦中にドイツの円錐形スキャン式ヴュルツブルク レーダーに対してこれを使用しました。

モノパルスレーダーは、一般的な構造は円錐スキャンシステムと似ていますが、ビームをいくつかの部分に分割し、結果として得られた 2 つの信号をアンテナからわずかに異なる方向に送信します。反射信号が受信されると、それらは個別に増幅され、互いに比較され、どの方向からの反射がより強いか、つまり照準に対するターゲットの大まかな方向が示されます。この比較は 1 つのパルス (通常は数マイクロ秒) の間に実行されるため、ターゲットの位置や方向が変わっても比較には影響しません。

このような比較を行うには、ビームの異なる部分を互いに区別する必要があります。通常、これはパルスを 2 つの部分に分割し、それぞれを別々に偏光させてから、わずかに軸から外れたフィードホーンのセットに送ることで実現されます。これにより、通常 2 つのローブのセットが照準器上で重なり合います。これらのローブは、通常の円錐形スキャナーと同様に回転します。受信時に信号は再び分離され、1 つの信号の電力が反転されてから、2 つの信号が合計されます (画像内)。ターゲットが照準器の片側にある場合、合計は正になり、反対側にある場合は負になります。 ${\displaystyle \scriptstyle \Sigma }$

ローブの間隔が狭い場合、この信号はビーム内で高度な指向精度を生み出し、円錐スキャン システムの本来の精度をさらに高めます。従来の円錐スキャン システムでは 0.1 度程度の指向精度が得られますが、モノパルス レーダーでは一般にこれが 10 倍向上し、AN/FPS-16などの高度な追跡レーダーでは 0.006 度の精度が得られます。これは、100 km の距離で約 10 m の精度です。

妨害耐性は円錐スキャンに比べて大幅に向上しています。フィルターを挿入して、無偏波または一方向にのみ偏波している信号を除去することができます。このようなシステムを混乱させるには、妨害信号は信号の偏波とタイミングを複製する必要がありますが、航空機は 1 つのローブのみを受信するため、信号の正確な偏波を判断するのは困難です。モノパルス システムに対して、ECM は一般に、偽の局所的な反射を生成するのではなく、レーダーを単に盲目にするホワイト ノイズを放送することに頼っています。

モノパルスアンテナは、合計信号と2つのデルタ信号を生成します。これにより、単一の受信パルスを使用して角度測定を実行できます。合計信号は通常、送信パルスを送信するために使用された導波管に戻ります。2つのデルタ信号は、仰角（上下）と横方向（左右）です。^[3]

合計信号は、アンテナの中心線に沿ったアンテナ ビームに対応します。デルタ信号は、合計アンテナ ビームの中心線に隣接するビームのペアです。デルタ ビーム測定では、象限に応じてプラスまたはマイナスの値が生成されます。

合計信号は、アンテナ ビームの中心で信号を最大化するように配置されたフィードホーン構造によって生成されます。デルタ RF 信号は、合計フィードホーンに隣接して配置されたアンテナ フィードホーンのペアによって生成されます (合計フィードホーンは図に示されていません)。デルタ フィードホーンの各ペアの出力が加算され、これにより、受信 RF 信号がアンテナ ビームの中心にあるときにゼロ出力信号が生成されます。航空機がアンテナの中心線から遠ざかるにつれて、各デルタ ビームからの信号強度が増加します。

示されている導波管画像では、水平偏波のRF 信号が 2 つのフィードホーンに到達し、左右のデルタ信号が生成されます。RF 波面から到達したエネルギーは、両方の導波管フィードホーンに発射されます。両方のフィードホーンからの RF 信号は、導波管を上って進み、そこで左右のフィードホーンからの信号が結合されます。結合器は、フィードホーンから到着した電気信号に対して数学的な減算を実行します。この減算によってデルタ信号が生成されます。同様のフィードホーン構成を使用して、上下のデルタ信号が生成されます (図示せず)。導波管アセンブリは単独で使用できます。高ゲイン アンテナの場合、フィードホーン アセンブリは、焦点またはその近くの反射面に面して配置されます。

示されている導波管画像の場合、合計信号は、示されている 2 つのフィードホーン間の中央にある単一の導波管フィードホーンによって作成されます。

合計およびデルタ無線周波数信号は、サンプリングが行われる受信機でより低い周波数に変換されます。信号プロセッサは、これらのサンプルを使用してエラー信号を生成します。

各デルタ信号の + または - 値は、合計信号と比較した場合の 0 度または 180 度の位相シフトによって作成されます。レーダーがアイドル状態のときに、キャリブレーション信号が受信パスに注入され、これにより、異なるマイクロ波信号パス間の既知の位相シフトが確立されます (静止モード)。

角度誤差は、デルタ信号から複素比を計算することで生成されます。これは、左/右デルタビームに対して行われ、また、上/下デルタビームに対しても行われます (2 つの比率)。レーダーでの実数部と虚数部の使用方法については、パルス ドップラーの説明を参照してください。

${\displaystyle {\text{Error}}={\frac {\frac {({\text{実デルタ}})+i({\text{虚デルタ}})}{({\text{実合計}})+i({\text{虚合計}})}}{\frac {({\text{実デルタ計算}})+i({\text{虚デルタ計算}})}{({\text{実合計計算}})+i({\text{虚合計計算}})}}}}$

結果は符号付きの数値です。キャリブレーション プロセスの結果、複素アンテナ角度誤差ベクトルが実軸上に回転し、信号処理の損失が減少します。

角度誤差は、ターゲットをアンテナの中心線に沿って配置するための調整に使用されます。機械的に操縦されるレーダーでは、垂直角度誤差はアンテナを上下に動かすモーターを駆動し、水平角度誤差はアンテナを左右に操縦するモーターを駆動します。ミサイルでは、角度誤差は誘導システムへの入力であり、誘導システムはミサイル本体を回転させる誘導フィンの位置を決め、ターゲットがアンテナの中心線上にくるようにします。

車輪、鏡、ライトを使用すると、この方程式で説明されている実数と虚数を視覚化できます。鏡は車輪の上 45 度の角度で配置され、車輪の前面と上面を同時に見ることができます。ライトは車輪に取り付けられており、部屋の照明が消えているときに車輪を見ることができます。友人が車輪を回している間、あなたは車輪の真前に座ります。車輪の前面 (実数) と車輪の上部 (虚数) のビューから、車輪の位置がわかります。

実数値と虚数値のペアは、実部と虚部として説明される複素数を形成します。

アンテナと最初のダウンコンバータの間に長い導波管がある場合、動的キャリブレーションが必要です (スーパーヘテロダイン受信機を参照)。これは、導波管のサイズと長さを変える温度変化を補正します。温度変化によって位相が変化し、長い導波管の場合に不正確な角度エラー信号が生成されます。Cal 項は、システムがアクティブでないときに受信導波管にキャリブレーション信号を注入することによって作成されます (合計とデルタ)。キャリブレーション信号の角度エラーは、通常動作中の角度エラーを評価するために使用されます。アンテナ チューニングは、アンテナがアンテナ範囲でキャリブレーションされるときに、必要なエラー信号を作成する調整を行うために使用されます。

アンテナと受信機間の導波管の長さが短い場合、キャリブレーション信号を省略し、キャリブレーション項を固定値に設定できます。また、長い導波管の長さを持つシステムでは、RF キャリブレーションが実行できない場合に劣化した動作を可能にするために、固定値を保存することもできます。一貫した結果を得るには、アンテナ範囲を使用して導波管アセンブリを調整する必要がある場合があります。

4 象限アレイ アンテナは 4 つのサブアレイで構成されています。サブアレイは距離dで分離されています。角度 θ (仰角または方位角) は、モノパルス比 (差分信号と合計信号の比) から推定されます。推定式は次のように表されます。

${\displaystyle \Delta /\Sigma =-j\tan \left({\frac {\pi d}{\lambda }}\sin \theta \right).}$

この式のより一般的な形の導出は^{[2]に示されている。}

追跡システムは、航空機の位置情報を継続して生成し、アンテナの位置はこの情報の一部です。アンテナ エラー信号は、航空機を追跡できるレーダー システムの一部として フィードバックを作成するために使用されます。

アンテナの RF サンプルから生成される水平信号と垂直信号は、角度誤差と呼ばれます。これらの角度誤差信号は、アンテナ ビームの中心とアンテナ ビーム内の航空機の位置との間の角度距離を示します。

機械的に操作されるアンテナの場合、水平信号と垂直信号を使用して、2 つのアンテナ位置決めモーターにトルクを生成する駆動信号が作成されます。1 つのモーターはアンテナを左右に動かします。もう 1 つのモーターはアンテナを上下に動かします。その結果、航空機がアンテナ ビームに対して垂直に移動している場合でも、アンテナ ビームの中心が航空機に直接向けられたままになるようにアンテナの位置が移動します。

トラック・ウェイ・スキャン・レーダーでは、複数の航空機の位置と速度が維持されます。航空機の最後の位置は速度を使用して惰性走行され、その情報を使用してエネルギー・ビームが航空機に向けられます。受信されたモノパルス角度誤差情報は、航空機の位置と速度データを調整するために使用されます。これは、フェーズド・アレイ・レーダー・システムで一般的なモードです。

振幅比較モノパルスは、このプロセスに関係するアンテナ信号について説明します。

ドップラー効果は、速度に基づいて異なる物体を区別するために使用できます。パルス ドップラーレーダー信号処理では、この技術が使用されます。これは、円錐スキャンまたはモノパルスと組み合わせて、追跡の信頼性を向上させます。物体から引き離されないようにするには、物体信号を干渉から分離する必要があります。これにより、地表に近づきすぎた航空機や雲の中を飛行する航空機によってシステムが誤認される問題を回避できます。

円錐スキャン アンテナとモノパルス アンテナは、気象現象や静止物体からの干渉を受けやすいです。その結果生じる干渉により、アンテナ ビームを航空機から遠ざけるフィードバック信号が生成されます。アンテナが地面に近すぎたり、悪天候に近すぎたりすると、アンテナの位置が信頼できないものになります。パルス ドップラー追跡モードのないシステムでは、木や雲などの無関係な物体に向けられたままになることがあります。ドップラー信号処理が行われていない場合は、オペレーターが常に注意を払う必要があります。

モノパルスレーダーは、1943年にロバート・M・ペイジが海軍研究所の実験で初めて導入した当時は極めて「ハイテク」でした。その結果、非常に高価で、複雑であるため労働集約的で、信頼性も低かったです。コストに見合う極めて高い精度が必要な場合にのみ使用されました。初期の用途には、非常に高い精度が要求されたナイキ・アジャックスミサイルや、さまざまなロケット発射を測定するための追跡レーダーがありました。世界初の航空機搭載モノパルスレーダーシステムは、イギリスのフェランティ設計のAIRPASSシステムで、1960年にイギリス空軍のイングリッシュ・エレクトリック・ライトニング迎撃機に搭載されて運用が開始されました。1958年の初期のモノパルスレーダー開発は、 NRLとRCAが協力したAN/FPS-16でした。最も初期のバージョンであるXN-1は、金属板レンズを使用していました。 2番目のバージョンのXN-2は、従来の3.65メートル[12フィート]のパラボラアンテナを使用し、量産されたバージョンでした。これらのレーダーは、マーキュリー、ジェミニ、初期のアポロ計画で重要な役割を果たし、その目的でバミューダ、タナリーブ、オーストラリアなどに配備されました。これらの施設のいくつかにはIRACQ [Increased Range ACQuisition]改造が施されており、オーストラリアのウーメラにあるものは確かにそのように改造されていました。より大規模な施設の1つは、1970年代にアメリカ海軍のイージス戦闘システムに使用されたAN/SPY-1レーダー、およびタータール誘導ミサイル射撃管制システムとその研究に使用されたMK-74レーダーとして初めて登場しました。^[4] 1970年代以降にデジタル信号処理が利用可能になると、モノパルス追跡の実装にかかるコストと複雑さが軽減され、信頼性が向上しました。この技術は、ほとんどの現代の追跡レーダーや、ミサイルなどの多くの種類の使い捨て兵器に使用されています。

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