レーダー断面積

レーダー断面積（RCS）はσで表され、レーダーシグネチャとも呼ばれ、レーダーによる物体の検出可能性の尺度です。RCSが大きいほど、物体はより容易に検出されます。^{[ 1 ]}

物体は限られた量のレーダーエネルギーを光源に反射します。これに影響を与える要因には次のものがあります。^{[ 1 ]}

• 標的が作られている材料。
• 照射レーダー信号の波長に対するターゲットの大きさ。
• ターゲットの絶対的なサイズ。
• 入射角（レーダービームがターゲットの特定の部分に当たる角度。これはターゲットの形状とレーダー源に対する向きによって決まる）。
• 反射角（反射光線が標的の当たった部分から出る角度。入射角によって変化する）。
• 標的の向きに対する、送受信される放射線の偏光。

標的の検出において重要ではあるものの、放射源の強度と距離はRCSの計算に影響を与える要因ではない。なぜなら、RCSは標的の反射率の特性だからである。

レーダー断面積は、さまざまな距離で航空機を検出するために使用されます。たとえば、ステルス機（検出されにくいように設計されている）は、 RCSを低くする設計上の特徴（吸収塗料、平らな表面、信号が送信元以外の場所に反射するように特別に角度が付けられた表面など）を備えています。一方、旅客機はRCSが高くなります（むき出しの金属、信号の一部が送信元に反射されることが事実上保証されている丸みを帯びた表面、エンジンやアンテナなどの多くの突起物など）。RCSは、特に航空機や弾道ミサイルに関連する用途において、レーダーステルス技術の開発に不可欠です。^{[ 2 ]}現在の軍用機のRCSデータはほとんどが極秘です。

場合によっては、多数の物体を含む地上の領域を調査することが有益です。そのような状況では、正規化レーダー断面積（NRCS）と呼ばれる関連量、すなわち微分散乱係数またはレーダー後方散乱係数（σ ⁰またはσ ₀ （「シグマ ゼロ」）と表記）を用いると便利です。これは、単位面積あたりの物体群の平均レーダー断面積です。

$\displaystyle \sigma ^{0}=\left\langle {\sigma \over {A}}\right\rangle }$

どこ：

• σは特定の物体のレーダー断面積であり、
• Aは、その物体に関連付けられた地面上の領域です。^{[ 3 ]}

NRCSは面積/面積の単位、つまり^MKS単位でのm² / m²を^使用しています。

非公式には、物体の RCS は、問題の物体と同じ強度の反射を生み出す完全反射球の断面積です。（この仮想球のサイズが大きいほど、反射は強くなります。）したがって、RCS は抽象化です。物体のレーダー断面積は、必ずしもその物体の物理的な断面積と直接的な関係があるわけではなく、他の要因に依存します。^{[ 4 ]}

もう少し厳密に言うと、レーダー目標のRCSとは、送信されたレーダー電力を遮断し、その電力を等方的にレーダー受信機に散乱させる有効面積のことである。

より正確には、レーダーターゲットのRCSは、ターゲットで送信された電力密度を遮断するために必要な仮想的な面積であり、遮断された全電力が等方的に再放射された場合、受信機で実際に観測される電力密度が生成されます。^{[ 5 ]}この記述は、単一静的（レーダー送信機と受信機が同じ場所に設置されている）レーダー方程式を項ごとに検討することで理解できます。

${\displaystyle P_{r}={{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma {{1} \over {4\pi r^{2}}}A_{\mathrm {eff} }}$

どこ

• ${\displaystyle P_{t}}$＝送信機の入力電力（ワット）
• ${\displaystyle G_{t}}$＝レーダー送信アンテナの利得（無次元）
• ${\displaystyle r}$レーダーから目標物までの距離（メートル）
• ${\displaystyle \sigma }$＝対象物のレーダー断面積（平方メートル）
• ${\displaystyle A_{\mathrm {eff} }}$＝レーダー受信アンテナの有効面積（平方メートル）
• ${\displaystyle P_{r}}$レーダーが目標物から受信する電力（ワット）

の ${\textstyle {{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}}$ レーダー方程式の項は、レーダー送信機が目標物に向けて生成する電力密度（ワット/平方メートル）を表します。この電力密度は、レーダー断面積を持つ目標物によって捕捉されます。${\textstyle \sigma }$面積の単位は平方メートルである。したがって、積は ${\textstyle {{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma }$ は電力（ワット）の次元を持ち、レーダー目標によって捕捉された仮想的な総電力を表します。${\textstyle {{1} \over {4\pi r^{2}}}}$この項は、目標からレーダー受信機へ迎撃された電力の等方性拡散を表します。したがって、積 ${\textstyle {{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma {{1} \over {4\pi r^{2}}}}$ これは、レーダー受信機における反射電力密度（ワット/平方メートル）を表します。受信アンテナは、有効面積でこの電力密度を収集します。${\textstyle A_{\mathrm {eff} }}$それによって、上記のレーダー方程式で示されるレーダーが受信する電力（ワット）が得られます。

レーダーターゲットによる入射レーダー電力の散乱は決して等方的ではなく（球形ターゲットの場合でも）、RCSは仮想的な面積である。この観点から、RCSは、実験的に観測された比率に対してレーダー方程式が「正しく機能する」ようにする補正係数と見なすことができる。${\textstyle P_{r}/P_{t}}$しかし、RCSは目標物固有の特性であり、測定または計算によって求めることができます。したがって、RCSを用いることで、レーダーや交戦パラメータとは独立して、特定の目標物に対するレーダーシステムの性能を分析することが可能になります。一般に、RCSはレーダーと目標物の向きの関数です。目標物のRCSは、その大きさ、表面の反射率、および目標物の幾何学的形状によって生じるレーダー反射波の指向性に依存します。

レーダー上のターゲットの画像サイズは、レーダー断面積またはRCSによって測定され、多くの場合記号σで表され、平方メートルで表されます。これは幾何学的面積とは異なります。投影断面積が1 m ² (つまり直径が1.13 m) の完全導体球は、RCSが1 m ²になります。レーダー波長が球の直径よりはるかに小さい場合、RCSは周波数に依存しません。逆に、面積が1 m ²の正方形の平板は、 RCSがσ = 4π A ² / λ ² (ここでA =面積、λ =波長)、またはレーダーが平板に垂直な場合、 1 GHzで139.62 m ^{2になります。 [ 2 ]}入射角が法線から外れると、エネルギーは受信機から反射され、RCSが減少します。現代のステルス機は、小型の鳥や大型の昆虫に匹敵するRCSを持つと言われていますが、^{[ 6 ]}これは航空機とレーダーによって大きく異なります。 

RCSがターゲットの断面積に直接関係する場合、それを低減する唯一の方法は物理的な形状を小さくすることである。しかし実際には、放射の大部分を反射したり吸収したりすることで、ターゲットはより小さなレーダー断面積を実現する。^{[ 7 ]}

目標物のRCS（レーダー断面積）の測定は、レーダー反射率測定域または散乱測定域で行われます。最初のタイプの測定域は屋外で、目標物は送信機から一定の距離を置いた、特殊な形状の低RCSパイロン上に設置されます。このような測定域では、目標物の背後にレーダー吸収体を設置する必要がなくなりますが、地面との多重経路相互作用を軽減する必要があります。

無響室も一般的に使用されます。このような部屋では、ターゲットは中央の回転柱の上に置かれ、壁、床、天井はレーダー吸収材の積層体で覆われています。これらの吸収材は、反射による測定の歪みを防ぎます。小型のレンジは、遠方場の状況をシミュレートするための反射板を備えた無響室です。

センチメートル波レーダーの典型的な値は次のとおりです。^{[ 8 ] [ 9 ]}

• 昆虫：0.00001 ^m²
• 鳥：0.01 ^m²
• ステルス機：<0.1 m² ^（ 例：F-117A：0.001 ^m²）
• 地対空ミサイル：約^0.1m²
• 人間：1平方^メートル
• 小型戦闘機：2～3平方^メートル
• 大型戦闘機：5～6平方^メートル
• 貨物機：最大100平方^メートル
• 沿岸貿易船（全長55m）：300～^4000m²
• 1.5mの辺長を持つコーナーリフレクター：^約 20,000m2 ^{[ 10 ] [ 11 ]}
• フリゲート艦（全長103m）：5000～^100,000m²
• コンテナ船（ 全長212m）：10,000～^80,000m²

定量的に、RCSは3次元で次のように計算されます^{[ 4 ]}

${\displaystyle \sigma =\lim _{r\to \infty }4\pi r^{2}{\frac {S_{s}}{S_{i}}}}$

どこ${\displaystyle \sigma }$RCSは、${\displaystyle S_{i}}$はターゲットで測定された入射電力密度であり、${\displaystyle S_{s}}$は、ある距離で観測される散乱電力密度です。${\displaystyle r}$目標から離れた。

電磁気解析では、これは一般的に^{[ 2 ]と表記される。}

${\displaystyle \sigma =\lim _{r\to \infty }4\pi r^{2}{\frac {|E_{s}|^{2}}{|E_{i}|^{2}}}}$

どこ${\displaystyle E_{s}}$そして${\displaystyle E_{i}}$はそれぞれ、遠方場における散乱電界強度と入射電界強度である。

設計段階では、実際の物体を製造する前に、RCSがどのように見えるかをコンピュータで予測することが望ましい場合が多い。この予測プロセスは、短時間で低コストで何度も繰り返すことができる一方、測定範囲を用いる方法は、時間と費用がかかり、誤差が生じやすい。マクスウェル方程式の線形性により、RCSはさまざまな解析的および数値的手法を用いて比較的容易に計算できるが、軍事的関心の高まりや機密保持の必要性から、この分野は依然として困難な課題となっている。

数値アルゴリズムを用いてマクスウェル方程式を解く分野は計算電磁気学と呼ばれ、RCS予測問題には多くの効果的な解析手法が適用されてきた。RCS予測ソフトウェアは、多くの場合、大型スーパーコンピュータ上で実行され、実際のレーダー目標の高解像度CADモデルが用いられる。

波長が対象物のサイズよりもはるかに短い場合、幾何光学、物理光学、回折の幾何理論、均一回折理論、物理回折理論などの高周波近似が用いられる。

統計モデルには、カイ二乗検定、ライス検定、対数正規分布モデルなどがあります。これらのモデルは、平均値が与えられた場合にRCSの可能性のある値を予測するために使用され、レーダーモンテカルロシミュレーションを実行する際に役立ちます。

境界要素法（モーメント法）、有限差分時間領域法（FDTD）、有限要素法などの純粋に数値的な手法は、コンピュータの性能によって、より長い波長またはより小さな特徴に限定される。

ただし、単純なケースでは、これら2種類の方法の波長範囲はかなり重なりますが、複雑な形状や材料、または非常に高い精度が必要な場合は、さまざまなハイブリッド方法で組み合わせられます。

RCSの低減は、航空機、ミサイル、船舶、その他の軍用車両のステルス技術において特に重要である。RCSが小さいほど、車両は地上施設、誘導兵器、または他の車両からのレーダー探知をより効果的に回避できる。また、レーダー妨害対策の有効性が向上することで、プラットフォーム全体の生存性も向上する。^{[ 2 ]}

いくつかの方法が存在する。特定のレーダー構成で目標を検出できる距離は、そのRCSの4乗根によって変化する。^{[ 12 ]}したがって、検出距離を10分の1に短縮するには、RCSを10,000分の1に減らす必要がある。この程度の改善は困難であるが、コンセプト/設計段階でプラットフォームに影響を与え、専門家と高度なコンピュータコードシミュレーションを使用して、以下に説明する制御オプションを実装することで、多くの場合可能となる。

アンテナの場合、全 RCS は構造モード RCS とアンテナモード RCS の 2 つの独立したコンポーネントに分けられます。 RCS の 2 つのコンポーネントは、アンテナで発生する 2 つの散乱現象に関連しています。 電磁信号がアンテナ表面に当たると、電磁エネルギーの一部が空間に散乱されます。これは構造モード散乱と呼ばれます。 残りのエネルギーはアンテナ効果により吸収されます。 吸収されたエネルギーの一部は、インピーダンス不整合により再び空間に散乱され、これはアンテナモード散乱と呼ばれます。^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

送信機と受信機が分離されている（同一場所に配置されていない）バイスタティックレーダー構成の場合、バイスタティックレーダー断面積（BRCS）は、送信機と目標物の向きと受信機と目標物の向きの両方の関数となります。モノスタティックNRCSと同様に、正規化バイスタティックレーダー断面積（NBRCS）またはバイスタティック正規化レーダー断面積（BNRCS）も定義できます。

• 後方散乱断面積
• 電磁モデリング
• 赤外線シグネチャ
• 生存率
• システムプランニング株式会社
• 目標強度

• シェーファー、チューリー、ノット著。『レーダー断面積』サイテック出版、2004年。ISBN 1-891121-25-1。
• ハリントン、ロジャー・F. 『時間調和電磁場』マグロウヒル社、1961年。ISBN 0-471-20806-X
• Balanis, Constantine A. 『Advanced Engineering Electromagnetics』 Wiley、1989年。ISBN 0-471-62194-3。
• 「後縁による回折の計算のための相反性に基づくハイブリッド法」David R. Ingham、 IEEE Trans. Antennas Propagat.、43 No. 11、1995年11月、pp. 1173–82。
• 「ガラーキンBoR手順における改訂された積分法」David R. Ingham、 応用計算電磁気学会（ACES）ジャーナル10号2、1995年7月、 5～16ページ。
• 「後縁部と後端部に対するハイブリッドアプローチ」David R. Ingham、 ACESシンポジウム議事録、1993年、モントレー。
• 「FDTD計算に基づく遠方界への時間領域外挿」Kane Yee、David Ingham、Kurt Shlager、IEEE Trans. Antennas Propagat.、39 No. 3、1991年3月、pp.  410–413。
• 「相反性を用いたエッジ回折の数値計算」David Ingham、国際アンテナ伝搬会議議事録、IV、1990年5月、ダラス、pp.  1574–1577。
• 「FDTD計算に基づく遠方場への時間領域外挿」 Kane Yee、David Ingham、Kurt Shlager、招待論文、Proc. URSI Conf.、1989、サンノゼ。

• レーダー断面積、光学定理、物理光学近似、線源による放射については、レーダー断面積（RCS）入門に関する詳細な講義を参照してください。
• 高周波RCS後方散乱の計算式集；便利な参考資料（PDF）
• アンテナのレーダー断面積パラメータを測定する方法
• Puma-EMは、高性能で並列処理可能なオープンソースのモーメント法／多段階高速多重極法電磁気学コードです。
• レーダー断面積低減コースジョージア工科大学のコースで、レーダー反射断面積を低減するために使用される技術に焦点を当てています。
• レーダーチュートリアルはRCSの優れたビジュアルを提供します