レーダー工学

レーダー工学は、レーダーのコンポーネントに関する技術的側面と、移動する散乱体からの反射エネルギーを検出して、環境内の物体の位置や障害物を特定する能力の設計です。^{[1] [2] [3]これには、}立体角と最大の明確な範囲と速度の観点からの視野、および角度、範囲、速度の分解能が含まれます。レーダーセンサーは、アプリケーション、アーキテクチャ、レーダーモード、プラットフォーム、および伝播ウィンドウによって分類されます。

レーダーの用途には、アダプティブクルーズコントロール、自律着陸誘導、レーダー高度計、航空交通管理、早期警戒レーダー、火器管制レーダー、前方警戒衝突感知、地中探知レーダー、監視、天気予報などがあります。

ターゲットの角度は、高指向性ビームで視野をスキャンすることで検出されます。これは、フェーズド アレイ アンテナを使用して電子的に、または物理的アンテナを回転させることによって機械的に行われます。送信機と受信機は、モノスタティック レーダーのように同じ場所にある場合もあれば、 バイスタティック レーダーのように離れている場合もあります。最後に、送信されるレーダー波は、連続的またはパルス状です。アーキテクチャの選択は、使用するセンサーによって異なります。

電子走査アレイ (ESA) またはフェーズド アレイは、瞬時のビーム走査、複数の同時アジャイル ビームの利用、レーダー モードの同時動作など、機械走査アンテナに比べて優れた点があります。ESA の性能指標は、帯域幅、実効等方放射電力(EIRP)、および G _R /T 商、視野です。EIRP は、送信ゲイン G _Tと送信電力 P _Tの積です。G _R /T は、受信ゲインとアンテナ雑音温度の商です。長距離検出には、 高い EIRP と G _{R /T が必須です。設計の選択肢は次のとおりです。}

• アクティブ対パッシブ:アクティブ電子走査アレイ(AESA)では、各アンテナはソリッド ステート電力増幅 (SSPA) を備えた T/R モジュールに接続されます。AESA は分散型電力増幅を備え、高性能で信頼性に優れていますが、高価です。パッシブ電子走査アレイでは、アレイは真空電子デバイス (VED) を備えた単一の T/R モジュールに接続されます。PESA は集中型電力増幅を備え、コストを節約できますが、低損失の位相シフターが必要です。
• 開口:レーダー センサーのアンテナ開口は、実際の開口または合成開口です。実ビーム レーダー センサーでは、リアルタイムのターゲット検知が可能です。合成開口レーダー(SAR) では、開口をターゲット上に移動し、エコーをコヒーレントに追加することで、実際のビーム幅を超える角度分解能を実現します。
• アーキテクチャ: 視野は、高度に指向性の周波数直交ビーム (スロット導波路)、空間直交ビーム (スイッチ型ビームフォーミング ネットワーク)、または時間直交ビームでスキャンされます。^{[4] [5] [6]}時間直交スキャンの場合、ESA のビームは、周波数に対して一定の漸進的な位相シフトを適用するのではなく、周波数に対して一定の漸進的な時間遅延 を適用してスキャンすることが望ましいです。真の時間遅延(TTD) 位相シフターを使用すると、周波数によるビームの斜視を回避できます。スキャン角度 は、周波数の関数である位相シフトの進行 と、周波数に対して不変である漸進的な時間遅延 の関数として表されます。${\displaystyle \デルタ\tau}$${\displaystyle \theta}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle \デルタ\tau}$

${\displaystyle k\,d\,\cos {\theta }=\beta \left(f\right)=2\,\pi \,{\frac {c}{\lambda _{0}}}\,\Delta \tau }$

${\displaystyle \theta =\arccos {\left({\frac {c}{d}}\,\Delta \tau \right)}}$

は周波数の関数ではないことに注意してください。周波数に対する一定の位相シフトも、広帯域パターン合成ではありますが、重要な用途があります。たとえば、広帯域モノパルス受信パターンの生成は、広帯域ハイブリッド カプラを使用して 2 つのサブアレイを結合するフィード ネットワークに依存します。 ${\displaystyle \theta}$${\displaystyle \Sigma /\Delta }$

• ビームフォーミング: ビームは、デジタル (デジタル ビームフォーミング (DBF))、中間周波数 (IF)、光、または無線周波数 (RF) 領域で形成されます。
• 構造: 電子スキャン アレイは、ブリック、スティック、タイル、またはトレイ構造です。ブリックとトレイは、RF 回路がアレイ プレーンに垂直に統合される構造アプローチを指します。一方、タイルは、RF 回路がアレイ プレーンに平行な基板に統合される構造アプローチを指します。スティックは、RF 回路がアレイ プレーン内のライン アレイに接続される構造アプローチを指します。
• フィード ネットワーク: フィード ネットワークは、制約付き (企業、シリーズ) またはスペース フィードです。
• グリッド: グリッドは周期的 (長方形、三角形) または非周期的 (細線化) です。
• 偏波（アンテナ） ：地上設置型レーダーセンサーの偏波は、マルチパス（ブリュースター角）を減らすために垂直になっています。レーダーセンサーは、全天候型アプリケーション向けに偏波測定も可能です。

ターゲットの距離と速度は、パルス遅延測距とドップラー効果(パルスドップラー)、または周波数変調(FM) 測距と距離差別化によって検出されます。距離分解能は、パルスドップラーレーダーと周波数変調連続波 ( FMCW ) レーダーの両方で、レーダーセンサーの瞬間信号帯域幅によって制限されます。モノスタティックモノパルスドップラーレーダーセンサーは、FMCW レーダーに比べて次のような利点があります。

• 半二重: パルスドップラーレーダーセンサーは半二重ですが、FMCWレーダーセンサーは全二重です。したがって、パルスドップラーは送信機と受信機間の分離性を高め、受信機のダイナミックレンジ (DR) と距離検出を大幅に向上させます。さらに、アンテナまたはアレイはT/Rモジュールの送信機と受信機の間で時分割できますが、FMCWレーダーは送信用と受信用に2つのアンテナまたはアレイが必要です。半二重動作の欠点は、レーダーセンサーのすぐ近くにブラインドゾーンが存在することです。したがって、パルスドップラーレーダーセンサーは長距離検出に適しており、FMCWレーダーセンサーは短距離検出に適しています。
• モノパルス:図 2 に示すモノパルスフィード ネットワークは、単一の放射パルスから発生し、2 つ以上の同時かつ空間的に直交するビームで受信されるエコーを比較することにより、角度精度をビーム幅の数分の 1 にまで向上させます。
• パルス圧縮:パルス圧縮は、反比例関係にあるパルス幅と瞬間信号帯域幅の関係を緩和します。パルス幅は、ターゲット到達時間、信号対雑音比(SNR)、最大範囲に関係します。瞬間信号帯域幅は、範囲分解能に関係します。
• パルスドップラー処理：放射バーストから発生するエコーは、離散フーリエ変換（DFT）を使用してスペクトル領域に変換されます。スペクトル領域では、静止したクラッタは、移動するターゲットのドップラー周波数シフトとは異なるドップラー周波数シフトを持つため、除去できます。エコーのコヒーレント統合により、SNRが向上し、ターゲットの距離と速度を推定できます。^[7]

バイスタティックレーダーには、空間的にずれた送信機と受信機があります。この場合、送信アンテナのセンサーは、エネルギーを検出するセンサーが他のアンテナにある間に、スキャンビームの角度位置をシステムに報告します。受信アンテナは移動しないため、データの解釈には時間同期が不可欠です。

モノスタティックレーダーには、送信機と受信機が空間的に共存しています。この場合、放射されるエネルギーが返されるエネルギーよりもはるかに大きいため、放射を受信センサーから隔離する必要があります。

レーダークラッターはプラットフォームに依存します。プラットフォームの例としては、航空機搭載型、車載型、船舶搭載型、宇宙搭載型、地上型などがあります。

レーダー周波数は、サイズと技術の成熟度を考慮して選択されます。また、レーダー周波数は、想定されるターゲットのレーダー断面積(RCS)を最適化するためにも選択されますが、これは周波数に依存します。伝播ウィンドウの例としては、3 GHz (S)、10 GHz (X)、24 GHz (K)、35 GHz (Ka)、77 GHz (W)、94 GHz (W) の伝播ウィンドウがあります。

ポイント ターゲットのレーダー モードには、検索と追跡が含まれます。分散ターゲットのレーダー モードには、地上マッピングとイメージングが含まれます。レーダー モードは、レーダー波形を設定します。

• 振幅比較モノパルスの振幅モノパルス
• 位相比較モノパルスの位相干渉計