レーダー

1886年には早くも、ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツが電波が固体物体から反射されることを示した。1895年、クロンシュタットのロシア帝国海軍学校の物理学教師アレクサンドル・ポポフは、遠方の落雷を検出するためにコヒーラー管を使用した装置を開発した。翌年、彼は火花ギャップ送信機を追加した。1897年、バルト海で2隻の船の間で通信するためにこの装置をテストしていたとき、彼は3隻目の船の通過によって引き起こされる干渉ビートに気づいた。ポポフは報告書の中で、この現象は物体の検出に使用できるかもしれないと書いたが、この観察をそれ以上活用することはなかった。^{[ 9 ]}

ドイツの発明家クリスティアン・ヒュルスマイヤーは、電波を使って「遠くの金属物体の存在」を初めて検出した人物である。1904年、彼は濃霧の中で船を検出することは可能だが、送信機からの距離は検出できないことを実証した。^{[ 10 ]}彼は1904年4月に検出装置の特許を取得し^{[ 11 ]}、その後、船までの距離を推定するための関連する改良の特許も取得した^{[ 12 ]} 。また、1904年9月23日には、テレモビロスコープと名付けた完全なレーダーシステムの英国特許も取得した^{[ 13 ]}。このシステムは50cmの波長で動作し、パルス状のレーダー信号は火花ギャップによって生成された。彼のシステムはすでに放物面反射鏡を備えたホーンアンテナという古典的なアンテナ構成を使用しており、ケルンとロッテルダム港での実地試験でドイツ軍関係者に提示されたが、却下された。^{[ 14 ]} 

1915年、ロバート・ワトソン＝ワットは無線技術を用いて飛行士に雷雨の事前警告を提供し^{[ 15 ] [ 16 ]}、1920年代には英国の研究機関を率いて、電離層の探査や遠距離での雷の検出など、無線技術を用いた多くの進歩を遂げた。ワトソン＝ワットは雷の実験を通して、短波送信の研究に着手する前に、無線方向探知の使用に関する専門家となった。このような研究に適した受信機が必要だったため、彼は「新人」アーノルド・フレデリック・ウィルキンスに、入手可能な短波受信機を徹底的に調査するように指示した。ウィルキンスは、航空機が上空を飛行する際に「フェージング」効果（当時、干渉を表す一般的な用語）が発生するというマニュアルの説明に気付き、郵便局のモデルを選んだ。

1922年、アメリカ海軍の研究者であるA・ホイト・テイラーとレオ・C・ヤングは、ポトマック川の両岸に送信機と受信機を設置し、ビーム経路を通過する船舶によって受信信号が断続的に変化するのを発見した。テイラーはこの現象が視界不良時の船舶の存在を検出するために利用できる可能性を示唆する報告書を提出したが、海軍はすぐには研究を継続しなかった。8年後、海軍研究所（NRL）のローレンス・A・ハイランドは、通過する航空機から同様のフェージング効果を観測した。この発見は特許出願^{[ 17 ]}につながり、またテイラーとヤングが当時所属していたNRLで移動目標からの無線エコー信号に関する集中的な研究をさらに行う提案につながった^{[ 18 ] 。}

同様に、英国では、LS Alder が 1928 年に海軍レーダーの秘密の暫定特許を取得しました。^{[ 19 ]} WAS Butementと PE Pollard は、50 cm (600 MHz) で動作し、パルス変調を使用するブレッドボードテストユニットを開発し、実験室で良好な結果を得ました。1931 年 1 月に、この装置に関する記述が王立工兵隊が管理する発明帳に登録されました。これは、沿岸防衛に使用され、 Chain Home (low)としてChain Homeに組み込まれた技術に関する英国での最初の公式記録です。^{[ 20 ] [ 21 ]}  

第二次世界大戦前、レーダーの研究はイギリス、アメリカ、フランス、ドイツ、イタリア、日本、ソビエト連邦、オランダで行われた。^{[ 22 ] [ 23 ]}

1934年、フランスでは、スプリットアノードマグネトロンに関する体系的な研究の後、モーリス・ポンテがアンリ・グトン、シルヴァン・ベルリーヌ、M・ユゴンとともに率いるコンパニー・ジェネラル・ド・ラ・テレグラフィー・サン・フィル（CSF）の研究部門が障害物位置特定無線装置の開発を開始し、その一部は1935年に客船ノルマンディー号に搭載された。 ^{[ 24 ] [ 25 ]}

同時期に、ソ連の軍事技術者PKオシェプコフは、レニングラード電気工学研究所と共同で、 受信機から3km以内の航空機を探知できる実験装置RAPIDを製作した。 ^{[ 26 ]}ソ連は1939年に最初の量産レーダーRUS-1とRUS-2 Redutを製作したが、オシェプコフの逮捕とその後の強制収容所への収監により、さらなる開発は遅れた。戦争中に製作されたRedutステーションは合計でわずか607基だった。最初のロシアの空中レーダーGneiss-2は、1943年6月にPe-2急降下爆撃機に搭載されて運用を開始した。1944年末までに230基以上のGneiss-2ステーションが製作された。^{[ 27 ]}しかし、フランスとソ連のシステムは連続波動作を特徴としており、最終的に現代のレーダーシステムの代名詞となる完全な性能は提供しなかった。

フルレーダーはパルスシステムとして発展し、最初の基本的な装置は1934年12月に海軍研究所で働いていたアメリカ人のロバート・M・ペイジによって実証された。^{[ 28 ]}翌年、アメリカ陸軍は沿岸砲台の夜間探照灯を照準するための原始的な地対地レーダーの試験に成功した。 ^{[ 29 ]}この設計に続いて、1935年5月にドイツのルドルフ・キューンホルトとGEMA社によってパルスシステムが実証され、その後1935年6月にはイギリスのロバート・ワトソン＝ワット率いる航空省チームによって別のシステムが実証された。

1935年、ワトソン＝ワットは、ドイツのラジオベースの死光線に関する最近の報告を評価するよう依頼され、その依頼をウィルキンスに委ねた。ウィルキンスは、そのシステムが基本的に不可能であることを示す一連の計算を返した。ワトソン＝ワットがそのようなシステムが何をするのかと尋ねると、ウィルキンスは航空機が無線干渉を引き起こすという以前の報告を思い出した。この発見により、 1935年2月26日にダヴェントリー実験が行われ、強力なBBC短波送信機を音源として使用し、GPO受信機を野原に設置し、爆撃機がその場所の周りを飛行した。飛行機がはっきりと検出されたとき、補給研究担当航空委員のヒュー・ダウディングは、そのシステムの可能性に非常に感銘を受け、さらなる運用開発のための資金がすぐに提供された。^{[ 30 ]}ワトソン＝ワットのチームは、特許GB593017でこの装置の特許を取得した。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

レーダーの開発は1936年に大きく進展した。ワトソン＝ワットが、サフォーク州フェリックストウ近郊のボーズィー・マナーにある英国航空省傘下の新施設、ボーズィー研究所の所長に就任したのである。そこでの研究により、1939年の第二次世界大戦勃発に間に合うように、イングランド東海岸と南海岸沿いに「チェーンホーム」と呼ばれる航空機探知・追跡ステーションが設計・設置された。このシステムは、英国空軍がバトル・オブ・ブリテンで勝利する上で不可欠な事前情報を提供した。このシステムがなければ、英国が保有していなかった多数の戦闘機を常に空中に待機させ、迅速に対応する必要があっただろう。このレーダーは、敵機の報告を収集し、対応を調整するための「ダウディング・システム」の一部を構成していた。 ^{[ 23 ]： 49-64}

必要な資金と開発支援がすべて得られたことで、チームは1935年に実用的なレーダーシステムを開発し、配備を開始した。1936年までに最初の5つのチェーンホーム（CH）システムが稼働し、1940年までには北アイルランドを含むイギリス全土に広がった。当時の基準から見ても、CHは粗雑なものであった。指向性アンテナから送信と受信を行う代わりに、CHは前方のエリア全体を照らす信号を送信し、その後、ワトソン・ワット自身が開発した無線方向探知機を使用して反射波の方向を特定した。このため、CH送信機は競合システムよりもはるかに強力で、より優れたアンテナが必要であったが、既存の技術を用いて迅速に導入することができた。

重要な発展の一つは、英国で開発された空洞マグネトロンであり、これによりサブメートル分解能を持つ比較的小型のシステムの作成が可能になった。英国は1940年のティザードミッション中に米国とこの技術を共有した。^{[ 34 ] [ 35 ]}

1940 年 4 月、Popular Science は防空に関する記事でワトソン・ワット特許を使用したレーダー装置の例を紹介した。^{[ 36 ]}また、1941 年後半、Popular Mechanicsは、あるアメリカ人科学者がイギリス東海岸のイギリスの早期警戒システムについて推測し、その仕組みと動作原理をほぼ解明した記事を掲載した。^{[ 37 ]}ワトソン・ワットは、日本の真珠湾攻撃後、防空に関する助言を行うため 1941 年にアメリカに派遣された。^{[ 38 ]}アルフレッド・リー・ルーミスは、マサチューセッツ州ケンブリッジのマサチューセッツ工科大学に秘密のMIT 放射線研究所を設立し、1941 年から 45 年にかけてマイクロ波レーダー技術を開発した。その後、1943 年にページはモノパルス技術でレーダーを大幅に改良し、この技術は長年にわたりほとんどのレーダー用途で使用された。^{[ 39 ]}

戦争は、レーダーの解像度、携帯性、機能を向上させるための研究を促し、夜間戦闘機（航空機迎撃レーダー）や海上哨戒機（対水上艦レーダー）に搭載するための小型軽量の装置や、イギリス空軍のパスファインダーで使用されたオーボエのような補完的な航法システムが開発された。

レーダーシステムには、レーダー信号と呼ばれる電波を所定の方向に発信する送信機があります。これらの信号が物体に当たると、通常は多くの方向に反射または散乱されますが、一部は吸収されてターゲットに浸透します。^{[ 47 ]}レーダー信号は、ほとんどの金属、海水、湿った地面など、電気伝導率の高い物質によって特に良く反射されます。これにより、特定の場合にはレーダー高度計の使用が可能になります。レーダー受信機に向かって反射されるレーダー信号は、レーダー探知を機能させるために必要な信号です。物体が送信機に向かって移動しているか、送信機から遠ざかっているかにかかわらず、ドップラー効果により電波の周波数にわずかな変化が生じます。

レーダー受信機は通常、送信機と同じ場所に設置されますが、必ずしもそうとは限りません。受信アンテナで捉えられる反射レーダー信号は通常非常に微弱です。そのため、電子増幅器によって増幅することができます。また、有用なレーダー信号を復元するために、より高度な信号処理手法も用いられます。

電波が通過する媒体による吸収が弱いことが、レーダー装置が比較的長距離にある物体を検出できる理由です。可視光線、赤外線、紫外線などの他の電磁波は、この距離では強く減衰してしまうため、検出が困難です。霧、雲、雨、降雪、みぞれなど、可視光線を遮る気象現象は、通常、電波に対しては透過性があります。水蒸気、雨滴、または大気中のガス（特に酸素）によって吸収または散乱される特定の無線周波数は、検出を目的とする場合を除き、レーダーの設計においては避けられます。

レーダーは、太陽や月の光、あるいは赤外線（熱）など、対象物自体から放出される電磁波ではなく、自ら発信する電波に依存している。対象物に向けて人工的な電波を照射するこのプロセスは「照射」と呼ばれるが、電波は人間の目や光学カメラでは見えない。

電磁波が一方の物質を通過して、誘電率または反磁性定数が異なる別の物質に遭遇すると、その境界で反射または散乱します。つまり、空気中または真空中の固体物体、あるいは物体とその周囲の原子密度の大きな変化は、通常、その表面からレーダー（電波）波を散乱させます。これは特に金属や炭素繊維などの導電性物質に当てはまり、レーダーは航空機や船舶の探知に非常に適しています。抵抗性物質や磁性物質を含むレーダー吸収材は、レーダー反射を低減するために軍用車両に使用されます。これは、夜間に肉眼で見えないように暗い色に塗るのと同等の、電波による対策です。

レーダー波は、電波の大きさ（波長）とターゲットの形状に応じて、さまざまな方法で散乱します。波長がターゲットの大きさよりはるかに短い場合、波は鏡で光が反射されるのと同様の方法で跳ね返ります。波長がターゲットの大きさよりはるかに長い場合、反射が不十分なため、ターゲットが見えない場合があります。低周波レーダー技術は、ターゲットの検出には共鳴を利用しますが、識別には利用しません。これは、地球の青い空と赤い夕焼けを生み出す効果であるレイリー散乱によって説明されます。2つの長さスケールが同程度の場合、共鳴が発生する可能性があります。初期のレーダーは、ターゲットよりも大きい非常に長い波長を使用していたため、ぼやけた信号を受信しましたが、多くの最新のシステムは、パンの塊ほどの小さな物体を画像化できる短い波長（数センチメートル以下）を使用しています。

短い電波は、丸いガラス片が反射するのと同様に、曲面や角から反射します。短い波長に対して最も反射率の高いターゲットは、反射面間の角度が90°です。コーナーリフレクターは、立方体の内側の角のように交わる3つの平面で構成されています。この構造は、開口部から入ってくる電波を直接送信元に反射します。これらは、レーダー反射器として一般的に使用され、そうでなければ検出が困難な物体を検出しやすくします。たとえば、ボートのコーナーリフレクターは、衝突を回避したり救助活動中にボートの検出性を高めます。同様の理由で、検出を回避することを目的とした物体は、内側の角や、検出される可能性のある方向に垂直な面やエッジを持たないため、「奇妙な」外観のステルス機になります。これらの対策は、特に長い波長では回折のために反射を完全に排除するものではありません。半波長の長さのワイヤーやチャフなどの導電性材料のストリップは非常に反射率が高いですが、散乱したエネルギーを送信元に向けません。物体が電波を反射または散乱する程度は、レーダー断面積と呼ばれます。

受信アンテナに戻る電力P _{rは、次の式で与えられる。}

${\displaystyle P_{r}={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}}{{(4\pi )}^{2}R_{t}^{2}R_{r}^{2}}}}$

どこ

• P _t = 送信電力
• G _t =送信アンテナの利得
• A _r =受信アンテナの有効開口（面積）。これは次のように表すこともできます。$\displaystyle {G_{r}\lambda ^{2}} \over {4\pi }}$、 どこ

• ${\displaystyle \lambda }$＝透過波長
• G _r = 受信アンテナの利得^{[ 47 ] : 4–6}

• σ =ターゲットのレーダー断面積、または散乱係数
• F = パターン伝播係数
• Rt ₌送信機からターゲットまでの距離
• R _r = ターゲットから受信機までの距離。

送信機と受信機が同じ場所にある一般的なケースでは、R _t = R _{rとなり、} R _t ² R _r ²の項はR ⁴に置き換えることができます。ここでRは距離です。これにより、次の式が得られます。

${\displaystyle P_{r}={{P_{t}G_{t}A_{r}\sigma F^{4}} \over {{(4\pi )}^{2}R^{4}}}.}$

これは、受信電力が距離の4乗に反比例して減少することを示しており、遠方の目標からの受信電力は相対的に非常に小さいことを意味する。

追加のフィルタリングとパルス積分により、パルスドップラーレーダーの性能に関するレーダー方程式がわずかに変更され、検出範囲を拡大し、送信電力を低減するために使用できます。

上記の式でF = 1 とすると、干渉のない真空中での伝送を簡略化したものになります。^{[ 7 ]}伝搬係数はマルチパスとシャドウイングの影響を考慮したもので、環境の詳細に依存します。実際の状況では、パスロスの影響も考慮されます。

周波数シフトは、反射体とレーダー間の波長数を変化させる動きによって引き起こされます。これは、検出プロセスへの影響に応じて、レーダーの性能を低下させることも向上させることもあります。例えば、移動目標の指示はドップラー効果と相互作用し、特定の視線速度で信号の相殺を引き起こし、性能を低下させる可能性があります。^{[ 47 ]： 10-11}

海上レーダーシステム、セミアクティブレーダーホーミング、アクティブレーダーホーミング、気象レーダー、軍用機、レーダー天文学などは、性能向上のためにドップラー効果を利用しています。これにより、探知プロセス中に目標の速度に関する情報が得られます。また、この効果によって、近くに大きな低速物体が存在する環境下でも、小さな物体を検出することが可能になります。

ドップラーシフトは、レーダーの構成がアクティブかパッシブかによって決まります。アクティブレーダーは信号を送信し、それが受信機に反射されて戻ってきます。パッシブレーダーは、対象物が受信機に信号を送信することに依存します。

アクティブレーダーのドップラー周波数シフトは次のとおりである。${\displaystyle F_{D}}$はドップラー周波数です。${\displaystyle F_{T}}$送信周波数は、${\displaystyle V_{R}}$は視線速度であり、${\displaystyle C}$光速です: ^{[ 48 ]}

${\displaystyle F_{D}=2\times F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right)}$。

パッシブレーダーは、電子妨害および電波天文学において、以下のように応用可能である。

${\displaystyle F_{D}=F_{T}\times \left({\frac {V_{R}}{C}}\right)}$。

速度の半径方向成分のみが重要となる。反射体がレーダービームに対して直角に移動している場合、相対速度は存在しない。レーダービームに平行に移動する物体は、最大のドップラー周波数シフトを生じる。

送信周波数（${\displaystyle F_{T}}$）はパルス繰り返し周波数を使用してパルス化される。${\displaystyle F_{R}}$結果として得られる周波数スペクトルには、その周波数より上と下の高調波周波数が含まれる。${\displaystyle F_{T}}$距離は${\displaystyle F_{R}}$その結果、ドップラー測定は、ドップラー周波数シフトが半分未満である場合にのみ曖昧さをなくします。${\displaystyle F_{R}}$これはナイキスト周波数と呼ばれ、そうでなければ返される周波数は高調波周波数の上下のシフトと区別できないため、次のことが必要となります。

${\displaystyle |F_{D}|<{\frac {F_{R}}{2}}}$

または、${\displaystyle F_{D}}$:

${\displaystyle |V_{R}|<{\frac {F_{R}\times {\frac {C}{F_{T}}}}{4}}}$

例えば、パルスレートが2kHz  、送信周波数が1GHzのドップラー気象レーダーは 、最大150m /s（340mph ）までの気象速度を確実に測定できますが、 1,000m /s（2,200mph ）で移動する航空機の視線速度を確実に測定することはできません。    

すべての電磁波において、電界は伝搬方向に対して垂直であり、電界の方向は波の偏光です。送信されたレーダー信号の場合、偏光を制御することでさまざまな効果を得ることができます。レーダーは、水平偏光、垂直偏光、直線偏光、円偏光を使用して、さまざまな種類の反射を検出します。たとえば、円偏光は雨による干渉を最小限に抑えるために使用されます。直線偏光の反射は通常、金属表面を示します。ランダム偏光の反射は通常、岩や土壌などのフラクタル表面を示し、航行レーダーで使用されます。

速度とは、物体までの距離の時間変化のことです。したがって、既存の距離測定システムと、目標物が最後にどこにあったかを記録する記憶機能があれば、速度を測定するのに十分です。かつては、レーダー画面にグリース鉛筆で印をつけ、計算尺を使って速度を計算するという方法が用いられていました。現代のレーダーシステムは、コンピュータを用いて同等の処理をより高速かつ正確に実行します。

送信機の出力がコヒーレント（位相同期）であれば、ドップラー効果と呼ばれる別の効果を利用して、ほぼ瞬時に速度を測定できます（メモリは不要です）。現代のレーダーシステムのほとんどは、この原理をドップラーレーダーやパルスドップラーレーダーシステム（気象レーダー、軍用レーダー）に利用しています。ドップラー効果は、レーダーから目標物までの視線に沿った目標物の相対速度のみを測定できます。視線に垂直な目標物の速度成分は、ドップラー効果だけでは測定できませんが、目標物の方位角を時間経過とともに追跡することで測定できます。

パルス信号を用いないドップラーレーダー、すなわち連続波レーダー（CWレーダー）は、既知の周波数の非常に純粋な信号を送信することで実現可能です。CWレーダーは、対象物の速度の半径方向成分を測定するのに最適です。CWレーダーは、距離が重要でない場合に、車両速度を迅速かつ正確に測定するために、交通取締りなどで一般的に使用されています。

パルスレーダーを使用する場合、連続する反射波の位相差から、パルス間の目標の移動距離が分かり、それによって速度を算出できます。レーダー信号処理におけるその他の数学的発展としては、時間周波数解析（ワイル・ハイゼンベルク変換またはウェーブレット変換）や、移動目標からの反射波の周波数変化（「チャープ」）を利用するチャープレット変換などがあります。

パルスドップラー信号処理では、検出プロセスに周波数フィルタリングが含まれます。各送信パルス間の空間は、レンジセルまたはレンジゲートに分割されます。各セルは、スペクトラムアナライザが異なる周波数を表示するのと同様のプロセスで、個別にフィルタリングされます。距離が異なると、異なるスペクトルが生成されます。これらのスペクトルは、検出プロセスを実行するために使用されます。これは、天候、地形、電子妨害などの過酷な環境下で許容可能な性能を達成するために必要です。

主な目的は、複数の距離から反射された信号の振幅と周波数の両方を測定することです。これは気象レーダーで使用され、空気の各体積における半径方向の風速と降水量を測定します。これはコンピューターシステムと連携して、リアルタイムの電子気象図を作成します。航空機の安全は、負傷や事故を防止するために使用される正確な気象レーダー情報への継続的なアクセスに依存しています。気象レーダーは低いPRFを使用します。個々の信号を分離する必要が通常ないため、コヒーレンス要件は軍事システムほど厳しくありません。航空機の追跡を目的とした軍事レーダーと比較して、気象レーダーでは高度なフィルタリングは必要なく、距離曖昧性処理も通常必要ありません。

もう一つの目的は、軍用航空戦闘の生存性を向上させるために必要な「ルックダウン/シュートダウン」機能です。パルスドップラーは、人員や車両を防衛するために必要な地上監視レーダーにも使用されます。 ^{[ 52 ] [ 53 ]}パルスドップラー信号処理は、航空機パイロット、艦上要員、歩兵、砲兵の近くで少ない放射線を使用して最大検出距離を延長します。地形、水、天候からの反射は、航空機やミサイルよりもはるかに大きな信号を生成するため、高速で移動する車両は、地球のすぐそばを飛行する技術やステルス技術を使用して隠れ、攻撃車両が破壊するには近すぎるまで検出を回避できます。パルスドップラー信号処理は、この種の弱点を安全に排除する、より高度な電子フィルタリングを組み込んでいます。これには、広いダイナミックレンジを持つ位相コヒーレントハードウェアを使用した中程度のパルス繰り返し周波数の使用が必要です。軍事用途では、距離を直接決定できない中程度のPRFが必要であり、すべての反射信号の真の距離を識別するために距離曖昧性解決処理が必要です。放射状の動きは通常、ドップラー周波数と関連付けられ、レーダー妨害信号では生成できないロック信号を生成します。パルスドップラー信号処理は、脅威の識別に使用できる可聴信号も生成します。^{[ 52 ]}

レーダーシステムでは、レーダー干渉の影響を低減するために信号処理が用いられます。信号処理技術には、移動目標指示、パルスドップラー信号処理、移動目標検出プロセッサ、二次監視レーダー目標との相関、時空間適応処理、および検出前追跡などがあります。また、クラッター環境においては、定誤警報率（CFR）やデジタル地形モデル処理も用いられます。

追跡アルゴリズムは、レーダーの性能向上戦略の一つです。追跡アルゴリズムを用いることで、センサーシステムから報告される個々の位置の履歴に基づいて、複数の移動物体の将来の位置を予測することが可能になります。

過去の情報は蓄積され、航空管制、脅威評価、戦闘システム教義、砲撃照準、ミサイル誘導などに利用される将来の位置予測に用いられる。位置データは、レーダーセンサーによって数分間隔で蓄積される。

一般的なトラックアルゴリズムは 4 つあります: ^{[ 54 ]}

• 最近傍アルゴリズム
• 確率的データ関連付け
• 多重仮説追跡
• 対話型複数モデル（IMM）

航空機からのレーダー映像は、プロット抽出処理によって不要な信号や干渉信号を除去することができる。一連の目標反射信号は、プロット抽出装置と呼ばれる装置を通して監視することができる。

表示情報から関連性のないリアルタイムの反射波を除去し、単一のグラフを表示することができる。一部のレーダーシステム、あるいはレーダーが接続されている指揮統制システムでは、レーダー追跡装置を用いて、個々の目標に属するグラフのシーケンスを関連付け、目標の進行方向と速度を推定する。

単一のアンテナから発信された無線信号はあらゆる方向に拡散し、同様に単一のアンテナはあらゆる方向から均等に信号を受信する。そのため、レーダーは目標物の位置を特定するという問題に直面する。

初期のシステムでは、無指向性放送アンテナと、さまざまな方向に向けられた指向性受信アンテナが使用される傾向がありました。たとえば、最初に展開されたシステムであるChain Homeでは、受信用に直角に配置された2本の直線アンテナが使用され、それぞれが別のディスプレイに表示されました。アンテナがターゲットに対して直角になっているときに最大の反射信号が検出され、アンテナがターゲットに直接向けられているとき（正面から）に最小の反射信号が検出されました。オペレーターは、一方のディスプレイに最大値、もう一方のディスプレイに最小値が表示されるようにアンテナを回転させることで、ターゲットの方向を判断できました。このタイプのソリューションの重大な制限の1つは、放送が全方向に送信されるため、調査対象の方向のエネルギー量は送信されたエネルギー量のほんの一部であることです。ターゲットに適切な量の電力を届けるには、送信アンテナも指向性である必要があります。

放物面反射鏡

より現代的なシステムでは、指向性のある放物面アンテナ（いわゆる「ディッシュ」）を用いて狭いビームを作り出し、通常は受信機と同じアンテナを使用します。このようなシステムでは、自動指向、つまりレーダーロックを可能にするために、同じアンテナ内で2つのレーダー周波数を組み合わせることがよくあります。

放物面反射鏡は、対称放物面またはスポイル放物面のいずれかになります。対称放物面アンテナは、X 次元と Y 次元の両方で狭い「ペンシル」ビームを生成するため、ゲインが高くなります。NEXRADパルスドップラー気象レーダーは、対称アンテナを使用して大気の詳細な体積スキャンを実行します。スポイル放物面アンテナは、1 つの次元で狭いビームを生成し、もう 1 つの次元で比較的広いビームを生成します。この機能は、3 次元でのターゲットの位置よりも、広範囲の角度でのターゲット検出が重要な場合に役立ちます。ほとんどの 2D 監視レーダーは、狭い方位角ビーム幅と広い垂直ビーム幅を持つスポイル放物面アンテナを使用します。このビーム構成により、レーダーオペレーターは特定の方位角で航空機を検出できますが、高度は不確定です。逆に、いわゆる「ノダー」高度検出レーダーは、狭い垂直ビーム幅と広い方位角ビーム幅を持つディッシュを使用して、特定の高度で航空機を検出しますが、方位角精度は低くなります。

スロット付き導波管

放物面反射鏡と同様に、スロット付き導波管は機械的に移動させて走査を行い、垂直方向のパターンが一定に保たれる非追跡型地上走査システムに特に適しています。コストが低く、風の影響を受けにくいことから、現在では船舶、空港地上、港湾の監視レーダーにおいて、放物面アンテナよりもこの方式が好んで採用されています。

フェーズドアレイ

フェーズドアレイレーダーでは、別の操舵方法が用いられている。

フェーズドアレイアンテナは、アンテナやスロット付き導波管の列など、等間隔に配置された類似のアンテナ素子で構成されています。各アンテナ素子またはアンテナ素子のグループは、アレイ全体に位相勾配を生成する離散的な位相シフトを組み込んでいます。たとえば、アレイ面全体で各波長に対して 5 度の位相シフトを生成するアレイ素子は、アレイ面に垂直な中心線から 5 度離れた方向にビームを生成します。そのビームに沿って伝搬する信号は増幅されます。そのビームからずれた信号は打ち消されます。増幅の量はアンテナゲインであり、打ち消しの量はサイドローブ抑制です。^{[ 55 ]}

フェーズドアレイレーダーは、第二次世界大戦のレーダー黎明期（マンムートレーダー）から使用されてきましたが、電子機器の制約により性能が劣っていました。フェーズドアレイレーダーは、もともとミサイル防衛に使用されていました（例えば、セーフガード計画を参照）。これらは、艦載型イージス戦闘システムとパトリオットミサイルシステムの中核を成しています。多数のアレイ素子を持つことによる大規模な冗長性により信頼性は向上しますが、個々のフェーズ素子が故障すると徐々に性能が低下します。フェーズドアレイレーダーは、程度は低いものの、気象監視にも使用されています。2017年現在、NOAAは気象調査と飛行監視のために、10年以内に米国全土に多機能フェーズドアレイレーダーの全国ネットワークを導入する計画です。^{[ 56 ]}

フェーズドアレイアンテナは、ミサイル、歩兵支援車両、船舶、航空機など、特定の形状に合わせて製造することができる。

電子機器の価格低下に伴い、フェーズドアレイレーダーが普及してきた。現代の軍事レーダーシステムのほぼすべてはフェーズドアレイ方式に基づいており、わずかな追加コストは可動部品のないシステムの信頼性向上によって相殺される。一方、航空交通管制や同様のシステムなど、コストが重要な要素となる用途では、従来型の可動アンテナ方式が依然として広く用いられている。

フェーズドアレイレーダーは、複数の目標を追跡できるため、航空機での使用に適しています。フェーズドアレイレーダーを初めて使用した航空機はB-1Bランサーでした。フェーズドアレイレーダーを初めて使用した戦闘機はミコヤンMiG-31でした。MiG-31MのSBI-16ザスロン受動電子走査アレイレーダーは、ロッキード・マーティンF-22ラプターにAN/APG-77能動電子走査アレイが導入されるまで、世界で最も強力な戦闘機レーダーと考えられていました。

位相配列干渉法や開口合成法は、複数の独立したアンテナを位相を合わせて単一の有効開口にする技術であり、電波天文学では広く用いられているものの、レーダー用途では一般的ではない。このような多重開口アレイは、送信機で使用すると、アレイ間距離の制約により、目標に送信される総電力が減少する代わりにビーム幅が狭くなるという問題が生じる。原理的には、このような技術によって空間分解能を向上させることは可能であるが、電力が低いため、一般的には効果的ではない。

一方、単一の移動源からの動きデータを後処理して開口を合成する方法は、宇宙レーダーや航空機搭載レーダーシステムで広く用いられている。

アンテナのサイズは一般的に、動作周波数の波長とほぼ同じ大きさ、通常は桁違いに小さくする必要があります。そのため、波長を短くするとアンテナが小型化されるため、波長を短くすることが強く推奨されます。また、波長が短いほど回折効果によって解像度が高くなるため、ほとんどのレーダーに見られる形状反射板も、必要なビーム幅に合わせて小型化できます。

波長を短くすることには、いくつかの実際的な問題が伴います。まず、高出力の超短波長を生成するために必要な電子機器は、一般的に長波長に必要な電子機器よりも複雑で高価であるか、あるいはそもそも存在しない場合が多いです。また、レーダー方程式の有効開口径の値は、アンテナ（または反射鏡）のサイズが一定の場合、長波長の方が効率が良いことを意味します。さらに、短波長は空気中の分子や雨滴と相互作用し、信号を散乱させる可能性があります。一方、超長波長には回折効果があり、水平線以遠レーダーに適しています。こうした理由から、さまざまな用途で多様な波長が使用されています。

伝統的な周波数帯名は、第二次世界大戦中にコードネームとして誕生し、現在でも世界中の軍事および航空分野で使用されています。米国では電気電子学会（IEEE）が、国際的には国際電気通信連合（ITU）が採用しています。ほとんどの国では、各周波数帯のどの部分を民間用または軍事用にするかを規制するための追加的な規則を設けています。

放送業界や電子妨害産業など、無線周波数帯の他の利用者は、従来の軍事用指定を独自のシステムに置き換えている。

変調器は、 RFパルスの波形を生成する役割を果たします。レーダー変調器には、大きく分けて2つの設計があります。

• 非コヒーレントキーイング電力発振器用の高電圧スイッチ。^{[ 57 ]}これらの変調器は、高電圧電源、パルス形成ネットワーク、およびサイラトロンなどの高電圧スイッチから構成される高電圧パルス発生器で構成されています。これらは、例えば、直流（通常はパルス状）をマイクロ波に変換する特殊な真空管であるマグネトロンに供給するための短い電力パルスを生成します。この技術はパルス電力として知られています。このようにして、送信されるRF放射のパルスは、定義された、通常は非常に短い期間に維持されます。
• ハイブリッドミキサー^{[ 58 ]}は、波形発生器と励振器によって入力され、複雑だがコヒーレントな波形を生成します。この波形は、低電力/低電圧の入力信号によって生成できます。この場合、レーダー送信機は、クライストロンやソリッドステート送信機などの電力増幅器である必要があります。このようにして、送信パルスはパルス内変調され、レーダー受信機はパルス圧縮技術を使用する必要があります。

進行波管やクライストロンのように、1,000ワット以上のマイクロ波出力で動作するコヒーレントマイクロ波増幅器には、液体冷却剤が必要です。電子ビームは、プラズマを生成するのに十分な熱を発生させるマイクロ波出力の5～10倍の電力を含まなければなりません。このプラズマはコレクタからカソードに向かって流れます。電子ビームを誘導するのと同じ磁気集束がプラズマを電子ビームの経路に押し込みますが、流れの方向は逆になります。これにより、ドップラー性能を低下させるFM変調が発生します。これを防ぐために、最小限の圧力と流量の液体冷却剤が必要であり、ドップラー処理を使用するほとんどの高出力表面レーダーシステムでは通常、脱イオン水が使用されます。^{[ 59 ]}

クーラノール（ケイ酸エステル）は、1970年代にいくつかの軍用レーダーで使用されていました。しかし、吸湿性があり、加水分解を起こして非常に燃えやすいアルコールを生成します。1978年に米海軍の航空機が失われたのは、ケイ酸エステルの火災が原因とされています。^{[ 60 ]}クーラノールは高価で毒性もあります。米海軍は、廃棄物、大気排出物、排水の量と毒性を排除または削減するために、汚染防止（P2）と呼ばれるプログラムを導入しました。そのため、今日ではクーラノールの使用頻度は低くなっています。

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