レーダー

レーダーは、電波を利用して対象物までの距離（測距）、方向（方位角と仰角）、視線速度を測定するシステムです。航空機、船舶、宇宙船、誘導ミサイル、自動車などの探知・追跡、気象や地形の地図作成などに用いられる無線測位法^[1]です。

レーダー システムは、無線またはマイクロ波領域の電磁波を生成する送信機、送信アンテナ、受信アンテナ (多くの場合、送信と受信に同じアンテナが使用される)、および物体の特性を判断する受信機とプロセッサで構成されます。送信機からの電波 (パルスまたは連続) は物体で反射して受信機に戻り、物体の位置と速度に関する情報を提供します。

レーダーは、第二次世界大戦前と戦中に、いくつかの国で軍事利用のために秘密裏に開発されました。重要な開発はイギリスの空洞マグネトロンで、これにより1メートル未満の解像度を持つ比較的小さなシステムの作成が可能になりました。RADARという用語は、1940年に米国海軍によって「radio detection and distance（無線探知と測距）」の頭字語として造られました。 ^{[2] [3] [4] [5] [6]それ以来、}レーダーという用語は英語やその他の言語に頭字語、つまり大文字がなくなった普通名詞として入り込んでいます。

レーダーの現代の用途は非常に多様で、航空および地上の交通管制、レーダー天文学、防空システム、ミサイル防衛システム、ランドマークや他の船舶の位置を特定するための海洋レーダー、航空機衝突防止システム、海洋監視システム、宇宙監視およびランデブーシステム、気象 降水監視、レーダーリモートセンシング、高度測定および飛行制御システム、誘導ミサイル目標位置特定システム、自動運転車、地質観測用の地中探査レーダーなどがあります。現代のハイテクレーダーシステムは、デジタル信号処理と機械学習を使用しており、非常に高いノイズレベルから有用な情報を抽出できます。

レーダーに似た他のシステムでは、電磁スペクトルの他の部分を利用している。一例として、電波ではなくレーザーからの赤外線を主に利用するLIDARがある。無人車両の出現により、レーダーは自動化プラットフォームが環境を監視し、望ましくない事故を防ぐのを支援することが期待されている。^[7]

1886年には、ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツが、電波が固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であったアレクサンダー・ポポフは、コヒーラ管を使用して遠距離の落雷を検出する装置を開発した。翌年、彼はスパーク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た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。^[8]

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」を検知した最初の人物である。1904年、彼は濃霧の中で船を検知できる可能性を実証したが、送信機からの距離までは明らかにしなかった。^[9]彼は1904年4月に検知装置の特許^[10]を取得し、後に船までの距離を推定するための関連修正の特許^{[11]を取得した。彼はまた、1904年9月23日に英国特許[12]を取得し、}テレモビスコープと名付けた完全なレーダーシステムを開発している。このシステムは50cmの波長で動作し、パルスレーダー信号はスパークギャップを介して生成される。彼のシステムはすでにパラボラ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用試験でドイツ軍当局に提示されたが却下された。^[13]

1915年、ロバート・ワトソン・ワットは無線技術を利用して航空士に雷雨の事前警報を発しました^{[14] [15]。}そして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ました。雷の実験を通じて、ワトソン・ワットは無線方向探知の使用に関する専門家となり、その後短波送信の研究に着手しました。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」のアーノルド・フレデリック・ウィルキンスに、入手可能な短波ユニットの徹底的な調査を行うよう指示しました。ウィルキンスは、航空機が上空を飛ぶと「フェーディング」効果（当時の干渉の一般的な用語）が発生するというマニュアルの説明に注目し、郵便 局のモデルを選択しました。

1922年、米海軍の研究者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が受信信号にフェードインとフェードアウトを引き起こすことを発見した。テイラーは、この現象を利用して視界不良時の船舶の存在を検知できるかもしれないと報告したが、海軍はすぐには研究を続行しなかった。8年後、海軍研究所（NRL）のローレンス・A・ハイランドは、通過する航空機による同様のフェードアウト効果を観察した。この発見は特許出願^[16]と、当時テイラーとヤングが拠点を置いていたNRLで、移動する標的からの無線エコー信号に関するさらなる集中研究を行う提案につながった。^[17]

同様に、英国では、LSアルダーが1928年に海軍レーダーの秘密の暫定特許を取得しました。^[18] WASブテメントとPEポラードは、50cm（600MHz）で動作し、パルス変調を使用して実験室で良好な結果をもたらすブレッドボードテストユニットを開発しました。1931年1月、この装置に関する記事が王立工兵隊が管理する発明書に記載されました。これは、沿岸防衛に使用され、チェーンホームにチェーンホーム（低）として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。^{[19] [20]}

第二次世界大戦前、イギリス、フランス、ドイツ、イタリア、日本、オランダ^[21]、ソ連、アメリカの研究者は、独自に極秘裏に、現代のレーダーにつながる技術を開発しました。オーストラリア、カナダ、ニュージーランド、南アフリカは戦前のイギリスのレーダー開発に続き、ハンガリーとスウェーデンは戦時中にレーダー技術を生み出しました。^[要出典]

1934年、フランスでは、スプリットアノードマグネトロンの体系的な研究に続いて、モーリス・ポンテ率いる無電波電信会社（CSF）の研究部門がアンリ・グットン、シルヴァン・ベルリン、M・ユゴンとともに障害物探知無線装置の開発を開始し、その一部は1935年に豪華客船ノルマンディー号^{に搭載された。 [22] [23]}

同じ時期に、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技術大学と共同で、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。^[24]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れに続く強制収容所での刑期の後、それ以上の開発は遅れた。戦争中に製作されたRedut局は合計で607局に過ぎなかった。ロシア初の航空レーダー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局以上のGneiss-2局が製作された。^[25]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、現代のレーダーシステムと最終的に同義となる完全な性能は提供しなかった。

完全なレーダーはパルスシステムとして発展し、そのような基本的な装置の最初のものは、1934年12月に海軍研究所に勤務し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ました。^[26]翌年、アメリカ陸軍は、夜間に沿岸砲台のサーチライトを照準するための原始的な地対地レーダーのテストに成功しました。 ^[27]この設計に続いて、1935年5月にドイツのルドルフ・キューンホールドとGEMA社 [de]によってパルスシステムが実証され、さらに1935年6月にはイギリスの ロバート・ワトソン・ワット率いる空軍省チームによって別のシステムが実証されました。

1935年、ワトソンワットはドイツの無線ベースの殺人光線に関する最近の報告を判断するよう依頼され、その依頼をウィルキンスに引き渡した。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で何ができるのか尋ねると、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。この啓示により、1935年2月26日のダベントリー実験が実現した。この実験では、強力なBBC短波送信機を発信源とし、爆撃機が現場を飛び回る中、野原にGPO受信機を設置した。飛行機が明らかに検知されると、航空補給研究担当議員ヒュー・ダウディングは彼ら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にすぐに資金が提供された。^[28]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。^{[29] [30] [31]}

レーダーの開発は、1936 年 9 月 1 日に大きく進展しました。ワトソン ワットが英国航空省傘下の新しい施設、サフォーク州フェリクストウ近郊のバウジー マナーにあるバウジー研究ステーションの所長に就任したのです。この研究の結果、1939 年に第二次世界大戦が勃発するまでに、イングランドの東海岸と南海岸に沿って「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され、設置されました。このシステムは、イギリス空軍がバトルオブ ブリテンに勝利する上で重要な事前情報を提供しました。このシステムがなければ、英国にはなかった大量の戦闘機が、迅速に対応するために常に空中に待機していなければならなかったでしょう。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」の一部でした。

必要な資金と開発サポートがすべて提供されたため、チームは 1935 年に実用的なレーダー システムを作成し、配備を開始しました。1936 年までに、最初の 5 つの Chain Home (CH) システムが運用可能になり、1940 年までには北アイルランドを含む英国全土に広がりました。当時の基準から見ても、CH は粗雑なものでした。CH は、指向性のあるアンテナから送信および受信するのではなく、信号を送信して前方の領域全体を照らし、次に Watson-Watt 独自の無線方向探知機の 1 つを使用して、返ってきたエコーの方向を判断しました。この事実は、CH 送信機が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を備えている必要があることを意味しましたが、既存の技術を使用して迅速に導入することができました。

重要な開発はイギリスの空洞マグネトロンであり、これにより1メートル未満の解像度を持つ比較的小型のシステムの作成が可能になった。イギリスは1940年のティザードミッション中に米国と技術を共有した。^{[32] [33]}

1940年4月、ポピュラーサイエンス誌は防空に関する記事でワトソン＝ワットの特許を使用したレーダー装置の例を示した。^[34]また、1941年後半にはポピュラーメカニクス誌に、ある米国の科学者がイギリス東海岸の英国の早期警戒システムについて推測し、それがどのようなものでどのように機能するかをほぼ解明したという記事が掲載された。^{[35]ワトソン＝ワットは1941年に日本による}真珠湾攻撃後の防空について助言するために米国に派遣された。^[36] 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裏にMIT放射線研究所を設立し、1941年から1945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年にペイジはモノパルス技術でレーダーを大幅に改良し、これは長年ほとんどのレーダー用途で使用された。^[37]

戦争により、夜間戦闘機（航空機迎撃レーダー）や海上哨戒機（空対地艦艇レーダー）に装備する小型軽量のレーダーや、イギリス空軍のパスファインダーで使用されているオーボエのような補完的な航法システムなど、レーダーの解像度の向上、携帯性の向上、機能の拡大を求める研究が促進された。

レーダーによって提供される情報には、レーダー スキャナーから得られる物体の方位と距離 (つまり位置) が含まれます。そのため、レーダーは、そのような位置特定が重要なさまざまな分野で使用されています。レーダーの最初の使用は軍事目的で、空中、地上、海の目標の位置を特定することでした。これは民間分野で航空機、船舶、自動車への応用へと発展しました。^{[38] [39]}

航空分野では、航空機にレーダー装置を装備して、進路上または進路に接近する航空機やその他の障害物を警告したり、気象情報を表示したり、正確な高度を表示したりすることができる。航空機に装備された最初の商用装置は、1938年にベル研究所が開発したもので、ユナイテッド航空の航空機に搭載されていた。^[35]レーダー支援地上管制進入システムを備えた空港では、航空機は霧の中でも着陸できる。このシステムでは、精密進入レーダー画面で航空機の位置がオペレーターによって観測され、オペレーターはパイロットに無線で着陸指示を与え、航空機を滑走路への定められた進入経路上に維持する。軍用戦闘機には通常、敵機を探知して標的とするための空対空照準レーダーが装備されている。さらに、より大型の特殊軍用機には強力な空中レーダーが搭載されており、広範囲の航空交通を監視し、戦闘機を標的に向けることができる。^[40]

海洋レーダーは、船舶の方位と距離を測定し、他の船舶との衝突を防止したり、航行したり、海岸や島、ブイ、灯台船などの固定基準の範囲内にある場合に海上での位置を固定したりするために使用されます。港や港湾では、船舶交通サービスレーダーシステムが、交通量の多い海域での船舶の動きを監視および規制するために使用されます。^[41]

気象学者は、降水量や風を監視するためにレーダーを使用しています。レーダーは、短期的な天気予報や、雷雨、竜巻、冬の嵐、降水タイプなどの悪天候の監視のための主要なツールとなっています。地質学者は、特殊な地中レーダーを使用して、地球の地殻の組成をマッピングします。警察は、道路上の車両速度を監視するためにレーダーガンを使用しています。自動車レーダーは、誤ったブレーキ操作を引き起こす可能性のある路側帯の静止物体を無視し、代わりに移動物体を測定して他の車両との衝突を防ぐことで、車両のアダプティブクルーズコントロールや緊急ブレーキに使用されています。高度道路交通システムの一部として、固定位置停止車両検出（SVD）レーダーが路側に設置され、自動車レーダーのアプローチを反転して移動物体を無視することで、立ち往生している車両、障害物、破片を検出します。^{[42]より小さなレーダーシステムは、}人の動きを検出するために使用されます。例としては、睡眠モニタリングのための呼吸パターン検出^[43]や、コンピューターインタラクションのための手と指のジェスチャー検出などがあります。^[44]自動ドア開閉、ライト点灯、侵入者検知なども一般的です。

レーダー システムには、所定の方向にレーダー信号と呼ばれる電波を発する送信機があります。これらの信号は、物体に接触すると、通常、さまざまな方向に反射または散乱しますが、一部は吸収されてターゲットに浸透します。レーダー信号は、ほとんどの金属、海水、湿った地面など、かなりの電気伝導性を持つ物質によって特によく反射されます。これにより、場合によって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、レーダー検出を機能させるのに望ましい信号です。物体が送信機に向かって移動したり、送信機から遠ざかったりすると、ドップラー効果により電波の周波数がわずかに変化します。

レーダー受信機は通常は送信機と同じ場所にありますが、常に同じとは限りません。受信アンテナで捉えられた反射レーダー信号は通常非常に弱いです。電子増幅器で増幅することができます。有用なレーダー信号を回復するために、 より洗練された信号処理方法も使用されます。

電波は通過する媒体によって弱く吸収されるため、レーダー装置は比較的長距離、つまり可視光線、赤外線、紫外線などの他の電磁波の波長が強く減衰してしまう距離にある物体を検出できます。霧、雲、雨、降雪、みぞれなど、可視光線を遮る気象現象は、通常、電波を透過します。水蒸気、雨滴、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、それらの検出を意図している場合を除き、レーダーの設計時には避けられます。

レーダーは、太陽や月からの光、あるいは赤外線（熱）などの対象物自体が発する電磁波ではなく、自身の送信に依存しています。人工の電波を対象物に向けるこのプロセスは照明と呼ばれますが、電波は人間の目や光学カメラには見えません。

ある物質を通過する電磁波が、誘電率または反磁性定数が異なる別の物質に出会うと、その物質の境界で電磁波が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、または物体とその周囲の原子密度の大きな変化により、通常はその表面からレーダー（電波）波が散乱します。これは、金属や炭素繊維などの導電性の物質の場合に特に顕著であり、レーダーは航空機や船舶の探知に適しています。抵抗性物質や場合によっては磁性物質を含むレーダー吸収材は、レーダーの反射を減らすために軍用車両に使用されています。これは、夜間に目で見えないように何かを暗い色で塗装するのと無線で同じことです。

レーダー波は、電波のサイズ（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サイズよりもはるかに短い場合、光が鏡に反射されるのと同じように波が跳ね返ります。波長がターゲットのサイズよりもはるかに長い場合、反射が不十分なために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、ターゲットの検出ではなく識別に共鳴に依存しています。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つの長さの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、あいまいな信号を受信しましたが、多くの最新のシステムでは、パン一斤ほどの小さな物体を画像化できるより短い波長（数センチメートル以下）を使用しています。

短い電波は、丸いガラスのきらめきと同じように、曲線や角で反射します。短波長で最も反射率の高いターゲットは、反射面の角度が 90° です。コーナー リフレクタは、立方体の内側の角のように 3 つの平面が接する構造です。この構造により、開口部に入ってきた電波が反射されて、直接ソースに戻ります。コーナー リフレクタは、通常はレーダー リフレクタとして使用され、通常は検出が難しい物体を検出しやすくします。たとえば、ボートのコーナー リフレクタは、衝突を回避したり救助したりする際に、検出しやすくします。同様の理由から、検出を回避することを目的とした物体は、検出される可能性のある方向に対して垂直な内側の角や表面、エッジを持たないため、ステルス 航空機が「奇妙」に見えます。これらの予防策では、特に長波長では回折のため、反射が完全になくなるわけではありません。波長の半分の長さのワイヤや導電性材料のストリップ (チャフなど) は非常に反射率が高いですが、散乱したエネルギーをソースに向けることはありません。物体が電波を反射または散乱する程度を、その物体のレーダー断面積と呼びます。

受信アンテナに戻る 電力P _{r は次の式で表されます。}

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

どこ

• P _t = 送信機電力
• 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）; これは次のようにも表される。ここで${\displaystyle {G_{r}\lambda ^{2}} \over {4\pi}}$

• ${\displaystyle \lambda}$= 送信波長
• G _r = 受信アンテナの利得^[45]

• σ =目標のレーダー断面積、または散乱係数
• F = パターン伝播係数
• R _t = 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は範囲です。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 乗に比例して減少することを示しており、遠方のターゲットからの受信電力が比較的非常に小さいことを意味します。

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合わせてレーダー方程式がわずかに変更され、検出範囲の拡大と送信電力の削減が可能になります。

上記のF = 1の式は、干渉のない真空中の伝送を簡略化したものです。伝播係数は、マルチパスとシャドウイングの影響を考慮したもので、環境の詳細によって異なります。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える動きによって発生します。これが検出プロセスに及ぼす影響に応じて、レーダーのパフォーマンスが低下したり向上したりする可能性があります。たとえば、移動するターゲット表示はドップラーと相互作用して、特定の半径速度で信号のキャンセルを生成し、パフォーマンスを低下させる可能性があります。

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、レーダー天文学は、ドップラー効果を利用して性能を向上させています。これにより、検出プロセス中にターゲットの速度に関する情報が生成されます。これにより、近くにはるかに大きくゆっくりと移動する物体がある環境でも、小さな物体を検出できます。

ドップラー シフトは、レーダー構成がアクティブかパッシブかによって異なります。アクティブ レーダーは、反射されて受信機に戻る信号を送信します。パッシブ レーダーは、物体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通りである。ここで、はドップラー周波数、は送信周波数、は視線速度、は光速である。^[46]${\displaystyle F_{D}}$${\displaystyle F_{T}}$${\displaystyle V_{R}}$${\displaystyle C}$

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

パッシブレーダーは、次のように電子妨害手段や電波天文学に応用できます。

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

速度の半径方向成分のみが関係します。反射体がレーダー ビームに対して直角に移動する場合、相対速度はありません。レーダー ビームに対して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成します。

送信周波数 ( ) が のパルス繰り返し周波数を使用してパルス化されると、結果として得られる周波数スペクトルには の距離で上と下の高調波周波数が含まれます。結果として、ドップラー測定は、ドップラー周波数シフトが の半分 (ナイキスト周波数と呼ばれる) 未満の場合にのみ明確になります。これは、それ以外の場合、返される周波数が上または下の高調波周波数のシフトと区別できないため、次の式が必要になります。 ${\displaystyle F_{T}}$${\displaystyle F_{R}}$${\displaystyle F_{T}}$${\displaystyle F_{R}}$${\displaystyle F_{R}}$

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

または、次のように置き換えると: ${\displaystyle F_{D}}$

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

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

すべての電磁放射において、電界は伝播方向に対して垂直であり、電界方向は波の偏波です。送信されるレーダー信号では、偏波を制御してさまざまな効果を得ることができます。レーダーは、水平、垂直、直線、円偏波を使用して、さまざまな種類の反射を検出します。たとえば、円偏波は雨による干渉を最小限に抑えるために使用されます。直線偏波の反射は通常、金属表面を示します。ランダム偏波の反射は通常、岩や土壌などのフラクタル表面を示し、ナビゲーションレーダーで使用されます。

レーダービームは真空中では直線的な経路をたどりますが、大気中では空気の屈折率の変化により多少曲がった経路をたどります。この経路はレーダー地平線と呼ばれます。ビームが地面と平行に放射された場合でも、地球の曲率が地平線の下に沈むため、ビームは地面より上に上がります。さらに、信号はビームが横切る媒体によって減衰され、ビームは分散します。

従来のレーダーの最大範囲は、いくつかの要因によって制限される可能性があります。

• 視線は地面からの高さに依存します。直接視線がない場合、ビームの経路はブロックされます。
• 最大非曖昧範囲は、パルス繰り返し周波数によって決まります。最大非曖昧範囲とは、次のパルスが放射される前にパルスが移動して戻ってくることができる距離です。
• レーダー方程式で計算されたレーダー感度と戻り信号のパワー。この要素には、環境条件やターゲットのサイズ (またはレーダー断面積) などの要素が含まれます。

信号ノイズは、すべての電子部品によって生成される信号内のランダムな変動の内部ソースです。

反射信号は距離が長くなるにつれて急速に減少するため、ノイズによってレーダー範囲が制限されます。ノイズ フロアと信号対ノイズ比は、範囲パフォーマンスに影響を与える2 つの異なるパフォーマンス指標です。反射体が遠すぎると、ノイズ フロアを超える信号がほとんど生成されず、検出できません。検出には、少なくとも信号対ノイズ比だけ ノイズ フロアを超える信号が必要です。

ノイズは通常、レーダー受信機で受信される目的のエコー信号に重なるランダムな変動として現れます。目的の信号のパワーが低いほど、ノイズとの区別が難しくなります。ノイズ指数は、理想的な受信機と比較した受信機によって生成されるノイズの尺度であり、これを最小限に抑える必要があります。

ショット ノイズは、すべての検出器で発生する不連続部を通過する電子によって生成されます。ショット ノイズは、ほとんどの受信機で主要なノイズ源です。また、増幅デバイスを通過する電子によって発生するフリッカー ノイズもありますが、これはヘテロダイン増幅を使用して低減されます。ヘテロダイン処理のもう 1 つの理由は、固定分数帯域幅の場合、瞬間帯域幅が周波数に比例して増加することです。これにより、距離分解能が向上します。ヘテロダイン (ダウンコンバージョン) レーダー システムの唯一の注目すべき例外は、超広帯域レーダーです。ここでは、UWB 通信と同様に、単一サイクルまたは過渡波が使用されます。UWBチャネルの一覧を参照してください。

ノイズは外部ソースによっても生成されますが、最も重要なのは、対象ターゲットを取り囲む背景の自然な熱放射です。最新のレーダー システムでは、内部ノイズは通常、外部ノイズとほぼ同等かそれ以下です。例外は、レーダーが晴れた空に向けられている場合です。この場合、シーンは非常に「冷たい」ため、熱ノイズはほとんど生成されません。熱ノイズはk _B T Bで表されます。ここで、Tは温度、Bは帯域幅 (ポスト マッチド フィルター)、k _{B は}ボルツマン定数です。レーダーでは、この関係を直感的に解釈できます。マッチド フィルタリングにより、ターゲットから受信したエネルギー全体を 1 つのビン (距離、ドップラー、仰角、または方位ビン) に圧縮できます。表面的には、一定の時間間隔内で、完全でエラーのない検出が得られるように見えます。これは、すべてのエネルギーを極小の時間スライスに圧縮することによって行われます。現実世界でこのアプローチを制限するのは、時間は任意に分割できるのに対し、電流は分割できないことです。電気エネルギーの量子は電子であり、そのため、すべてのエネルギーを単一の電子にマッチフィルターすることが最善の方法です。電子は特定の温度 (プランクスペクトル) で移動しているため、このノイズ源はそれ以上減少しません。結局のところ、レーダーは、すべてのマクロスケールのエンティティと同様に、量子理論の影響を大きく受けます。

ノイズはランダムですが、ターゲット信号はランダムではありません。信号処理では、この現象を利用して、2 つの戦略を使用してノイズ フロアを削減できます。移動ターゲット表示で使用される種類の信号統合により、各ステージで最大 までノイズを改善できます。また、信号を複数のフィルターに分割してパルス ドップラー信号処理に使用すれば、フィルターの数だけノイズ フロアを削減できます。これらの改善は、コヒーレンスに依存します。 ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

レーダー システムは、対象ターゲットに焦点を合わせるために、不要な信号を克服する必要があります。これらの不要な信号は、内部および外部の受動および能動の両方のソースから発生する可能性があります。これらの不要な信号を克服するレーダー システムの能力によって、信号対雑音比(SNR) が決まります。SNR は、目的の信号内の信号電力と雑音電力の比率として定義され、目的のターゲット信号のレベルと背景雑音 (大気雑音および受信機内で生成される雑音) のレベルを比較します。システムの SNR が高いほど、実際のターゲットと雑音信号をより正確に区別できます。

クラッターとは、レーダー操作員にとって興味のないターゲットから返される無線周波数 (RF) エコーのことです。このようなターゲットには、建物などの人工物や、意図的にチャフなどのレーダー対抗手段によって返されるものが含まれます。また、このようなターゲットには、地面、海などの自然物、そして気象目的ではない場合の降水、雹の急降下、砂嵐、動物 (特に鳥)、大気循環の乱れ、流星の軌跡も含まれます。レーダー クラッターは、地磁気嵐やその他の宇宙天気現象によって引き起こされる電離層の乱れなど、他の大気現象によっても引き起こされる可能性があります。この現象は、太陽風が地球の磁気圏に及ぼす作用によって電離層プラズマに対流パターンが生じる地磁気極付近で特に顕著です。^{[47]レーダー クラッターは、}地平線外レーダーのターゲット検出能力を低下させる可能性があります。 ^{[47] [48]}

レーダー トランシーバーとアンテナ間の長いレーダー導波管によっても、ある程度のクラッターが発生することがあります。回転アンテナを備えた一般的な平面位置表示(PPI) レーダーでは、受信機が導波管内の塵粒子や誤った RF からのエコーに反応するため、通常、ディスプレイの中央に「太陽」または「サンバースト」として表示されます。送信機がパルスを送信するタイミングと受信機ステージが有効になるタイミングを調整すると、通常、サンバーストは範囲の精度に影響を与えずに軽減されます。これは、ほとんどのサンバーストが、アンテナを離れる前に反射された拡散送信パルスによって発生するためです。クラッターは、レーダーによって送信されたレーダー信号に応答してのみ現れるため、受動的な干渉源と見なされます。

クラッターはいくつかの方法で検出され、中和されます。クラッターはレーダースキャン間では静的に見える傾向があります。その後のスキャンエコーでは、望ましいターゲットが移動しているように見え、すべての静止エコーが除去されます。海面クラッターは水平偏波を使用して削減できますが、雨は円偏波を使用して削減できます(気象レーダーは逆の効果を期待するため、降水を検出するために直線偏波を使用します)。その他の方法では、信号対クラッター比の増加を試みます。

乱雑なものは風とともに移動するか、静止しています。乱雑な環境で パフォーマンスの測定を改善するための一般的な 2 つの戦略は次のとおりです。

• 連続したパルスを統合する移動ターゲット表示
• ドップラー処理は、フィルターを使用して乱雑な信号から望ましい信号を分離します。

最も効果的なクラッター低減技術はパルスドップラーレーダーです。ドップラーは周波数スペクトルを使用して航空機や宇宙船からのクラッターを分離するため、速度差を使用して同じボリュームにある複数の反射体から個々の信号を分離できます。これにはコヒーレントな送信機が必要です。別の技術では、移動ターゲットインジケーターを使用して、位相を使用して 2 つの連続するパルスから受信信号を減算し、低速移動物体からの信号を低減します。これは、時間領域パルス振幅レーダーなどのコヒーレントな送信機がないシステムに適用できます。

自動ゲイン制御(AGC)の一種である定常誤報率は、対象ターゲットからのエコーよりはるかに多いクラッター反射に依存する方法です。受信機のゲインは、可視クラッター全体のレベルを一定に保つように自動的に調整されます。これは、周囲のより強いクラッターに隠れたターゲットの検出には役立ちませんが、強力なターゲット ソースの区別には役立ちます。以前は、レーダー AGC は電子的に制御され、レーダー受信機全体のゲインに影響していました。レーダーが進化するにつれて、AGC はコンピューター ソフトウェアで制御されるようになり、特定の検出セルでより細かくゲインに影響するようになりました。

クラッターは、地面の反射、大気ダクト、または電離層の反射/屈折（異常な伝播など）によって引き起こされる有効なターゲットからのマルチパスエコーからも発生する可能性があります。このタイプのクラッターは、他の通常の（点の）対象ターゲットのように移動して動作するように見えるため、特に厄介です。一般的なシナリオでは、航空機のエコーが下の地面から反射され、受信機には正しいターゲットの下にある同一のターゲットとして表示されます。レーダーはターゲットを統合しようとして、ターゲットを誤った高さで報告したり、ジッターまたは物理的に不可能であることを理由にターゲットを排除したりする場合があります。地形バウンス妨害は、レーダー信号を増幅して下向きに向けることでこの反応を利用します。^[49]これらの問題は、レーダー周辺の地上地図を組み込み、地面の下または特定の高さ以上で発生しているように見えるすべてのエコーを排除することで克服できます。モノパルスは、低仰角で使用される仰角アルゴリズムを変更することで改善できます。新しい航空管制レーダー装置では、現在のパルス反射を隣接するパルス反射と比較し、反射確率を計算することで、誤ったターゲットを識別するアルゴリズムが使用されています。

レーダー妨害とは、レーダー外部の発信源から発信される無線周波数信号がレーダーの周波数で送信され、それによって対象ターゲットを隠すことを指します。妨害は、電子戦戦術のように意図的なものである場合もあれば、同じ周波数範囲を使用して送信する機器を操作する友軍のように意図的でない場合もあります。妨害は、レーダー外部の要素によって開始され、一般的にレーダー信号とは無関係であるため、能動的な干渉源と見なされます。

妨害信号は一方向（妨害装置からレーダー受信機へ）だけ移動すればよいのに対し、レーダーエコーは双方向（レーダー - ターゲット - レーダー）に移動し、逆二乗の法則に従ってレーダー受信機に戻るまでに大幅に電力が低下するため、妨害はレーダーにとって問題となります。したがって、妨害装置は妨害されたレーダーよりもはるかに低電力でありながら、妨害装置からレーダーまでの視線に沿ったターゲットを効果的に隠すことができます（メインローブ妨害）。妨害装置には、レーダー受信機のサイドローブを介して他の視線に沿ったレーダーに影響を与えるという追加の効果もあります（サイドローブ妨害）。

メインローブ妨害は、通常、メインローブ立体角を狭めることでのみ軽減でき、レーダーと同じ周波数と偏波を使用する妨害装置に直接直面している場合は完全に排除できません。サイドローブ妨害は、レーダー アンテナ設計で受信サイドローブを減らし、全方向性アンテナを使用してメインローブ以外の信号を検出して無視することで克服できます。その他の妨害防止技術には、周波数ホッピングと偏波があります。

距離測定(測距)を行う 1 つの方法は、飛行時間に基づいています。つまり、無線信号 (電磁放射) の短いパルスを送信し、反射が戻ってくるまでの時間を測定します。距離は、往復時間の半分に信号速度を掛けた値になります。半分という係数は、信号が物体まで移動して戻ってくる必要があることに由来します。無線波は光速で移動するため、正確な距離測定には高速電子機器が必要です。ほとんどの場合、受信機は信号の送信中にリターンを検出しません。デュプレクサを使用することで、レーダーは所定の速度で送信と受信を切り替えます。同様の効果により、最大範囲も制限されます。範囲を最大化するには、パルス間の時間を長くする必要があります。これは、パルス繰り返し時間、またはその逆数のパルス繰り返し周波数と呼ばれます。

これら 2 つの効果は互いに相反する傾向があり、優れた短距離性能と優れた長距離性能の両方を 1 つのレーダーで兼ね備えることは容易ではありません。これは、優れた最小距離ブロードキャストに必要な短いパルスの総エネルギーが少なく、リターンがはるかに小さくなり、ターゲットを検出しにくくなるためです。これは、使用するパルスの数を増やすことで相殺できますが、最大距離が短くなります。そのため、各レーダーは特定の種類の信号を使用します。長距離レーダーは、パルス間の遅延が長い長いパルスを使用する傾向があり、短距離レーダーはパルス間の遅延が短い短いパルスを使用します。電子機器の改良により、現在では多くのレーダーがパルス繰り返し周波数を変更できるようになり、それによって距離を変更できるようになりました。最新のレーダーは、1 つのセルで 2 つのパルスを発射します。1 つは短距離用 (約 10 km (6.2 マイル)) で、もう 1 つは長距離用 (約 100 km (62 マイル)) です。

距離は時間の関数として測定することもできます。レーダー マイルは、レーダー パルスが 1海里を移動し、ターゲットで反射してレーダー アンテナに戻るのにかかる時間です。1 海里は 1,852 m と定義されているため、この距離を光速 (299,792,458 m/s) で割り、その結果に 2 を掛けると、持続時間は 12.36 μs になります。

距離測定レーダーのもう 1 つの形式は、周波数変調に基づいています。これらのシステムでは、送信信号の周波数が時間とともに変化します。信号がターゲットまで往復するのには一定の時間がかかるため、反射信号がレーダーに戻った時点で受信信号は送信機が送信している周波数とは異なります。2 つの信号の周波数を比較することで、その差は簡単に測定できます。これは、1940 年代の電子機器でも非常に高い精度で簡単に実行できます。さらに、レーダーは比較的低い周波数で効果的に動作できるという利点もあります。これは、高周波信号の生成が困難または高価であったこのタイプの開発初期には重要でした。

この技術は連続波レーダーで使用でき、航空機のレーダー高度計によく見られます。これらのシステムでは、「キャリア」レーダー信号は予測可能な方法で周波数変調され、通常は音声周波数で正弦波または鋸歯状パターンで上下に変化します。次に、信号は 1 つのアンテナから送信され、通常は航空機の底部にある別のアンテナで受信されます。信号は、返された信号と送信された信号の一部から音声周波数トーンを生成する単純なビート周波数変調器を使用して継続的に比較できます。

受信信号に乗った変調指数は、レーダーと反射器の間の時間遅延に比例します。時間遅延が大きいほど、周波数シフトは大きくなります。周波数シフトは移動距離に正比例します。その距離は計器に表示することができ、トランスポンダー経由でも利用できる場合があります。この信号処理は、速度検出ドップラーレーダーで使用されるものと似ています。このアプローチを使用するシステムの例としては、 AZUSA、MISTRAM、UDOPなどがあります。

地上レーダーは、より広い周波数範囲をカバーする低出力 FM 信号を使用します。複数の反射は、複数のパスでパターンの変化を数学的に分析し、コンピューターによる合成画像を作成します。ドップラー効果を利用することで、ゆっくりと移動する物体を検出できるほか、水面からの「ノイズ」を大幅に除去できます。

上で概説した 2 つの技術には、どちらも欠点があります。パルス タイミング技術には、距離測定の精度がパルスの長さに反比例するのに対し、エネルギー、つまり方向範囲は正比例するというトレードオフが内在しています。精度を維持しながら距離を延ばすために電力を増やすには、非常に高いピーク電力が必要であり、1960 年代の早期警戒レーダーは数十メガワットで動作することが多かったです。連続波方式では、このエネルギーを時間的に分散させるため、パルス方式に比べてピーク電力ははるかに低くなりますが、送信信号と受信信号を同時に動作させる何らかの方法が必要であり、多くの場合、2 つの別個のアンテナが必要になります。

1960 年代に新しい電子機器が導入され、2 つの技術を組み合わせることが可能になりました。これは、周波数変調もされた長いパルスから始まります。放送エネルギーを時間的に拡散させるということは、より低いピーク エネルギーを使用できることを意味します。最近の例では通常、数十キロワット程度です。受信時に、信号は異なる周波数を異なる時間だけ遅延させるシステムに送信されます。その結果、正確な距離測定に適した非常に短いパルスが出力されます。また、受信エネルギーを非常に高いエネルギー ピークに圧縮し、信号対雑音比を低下させます。この技術は、現代の大型レーダーでほぼ普遍的に使用されています。

速度とは、時間に対する物体までの距離の変化です。したがって、距離を測定する既存のシステムと、ターゲットが最後にどこにいたかを確認するためのメモリ容量を組み合わせれば、速度を測定するのに十分です。かつてのメモリは、ユーザーがレーダー画面にグリースペンシルで印を付け、計算尺を使用して速度を計算するというものでした。現代のレーダーシステムは、コンピューターを使用して同等の操作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）である場合、ドップラー効果と呼ばれる、ほぼ瞬時の速度測定（メモリは不要）に使用できる別の効果があります。ほとんどの最新のレーダーシステムは、ドップラーレーダーおよびパルスドップラーレーダーシステム（気象レーダー、軍事レーダー）にこの原理を使用しています。ドップラー効果は、レーダーからターゲットまでの視線に沿ったターゲットの相対速度のみを判断できます。視線に垂直なターゲット速度の成分は、ドップラー効果のみを使用して判断することはできませんが、ターゲットの方位角を時間の経過とともに追跡することで判断できます。

既知の周波数の非常に純粋な信号を送信することで、連続波レーダー(CW レーダー)と呼ばれるパルスのないドップラー レーダーを作成できます。CW レーダーは、ターゲットの速度の半径方向成分を決定するのに最適です。CW レーダーは通常、距離が重要でない場合に、交通取り締まりで車両速度を迅速かつ正確に測定するために使用されます。

パルスレーダーを使用する場合、連続する反射の位相の変化から、パルス間でターゲットが移動した距離がわかり、速度を計算できます。レーダー信号処理におけるその他の数学的発展には、時間周波数解析(ワイル ハイゼンベルクまたはウェーブレット) や、移動するターゲットからの反射の周波数の変化 (「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には、検出プロセスにおける周波数フィルタリングが含まれます。各送信パルス間のスペースは、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、スペクトル アナライザーがさまざまな周波数を表示するディスプレイを作成するために使用するプロセスと同様に、個別にフィルタリングされます。距離が異なれば、スペクトルも異なります。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、電子的対抗手段を含む厳しい環境で許容できるパフォーマンスを実現するために必要です。

主な目的は、複数の距離からの総反射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、これをコンピューティング システムにリンクしてリアルタイムの電子天気図を作成します。航空機の安全性は、負傷や事故を防ぐために使用される正確な気象レーダー情報に継続的にアクセスできるかどうかにかかっています。気象レーダーは低い PRF を使用します。通常は個々の信号を分離する必要がないため、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。航空機を追跡することを目的とした軍事レーダーと比較すると、気象レーダーではそれほど高度なフィルタリングは必要なく、距離の曖昧さの処理も通常必要ありません。

もう一つの目的は、軍の空中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、人員と車両を守るために必要な地上監視レーダーにも使用されます。 ^{[50] [51]}パルスドップラー信号処理は、航空機のパイロット、船員、歩兵、砲兵の近くでより少ない放射線を使用して最大検出距離を増加します。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、攻撃車両が破壊できないほど近づくまで、地表飛行技術とステルス技術を使用して検出を回避できます。パルスドップラー信号処理には、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が組み込まれています。これには、大きな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備えた中程度のパルス繰り返し周波数を使用する必要があります。軍事用途では、距離を直接決定できないようにする中程度のPRFが必要であり、すべての反射信号の実際の距離を識別するために、距離の曖昧さの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連動して、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。^[50]

信号処理は、レーダー干渉の影響を減らすためにレーダー システムで採用されています。信号処理技術には、移動ターゲット表示、パルス ドップラー信号処理、移動ターゲット検出プロセッサ、二次監視レーダーターゲットとの相関、空間時間適応処理、および検出前追跡が含まれます。一定の誤報率とデジタル地形モデル処理も、乱雑な環境で使用されます。

追跡アルゴリズムは、レーダーのパフォーマンスを向上させる戦略です。追跡アルゴリズムは、センサー システムによって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機能を提供します。

履歴情報は蓄積され、航空管制、脅威の予測、戦闘システムの教義、銃の照準、ミサイルの誘導に使用するために将来の位置を予測するために使用されます。位置データは、レーダー センサーによって数分にわたって蓄積されます。

一般的なトラックアルゴリズムは4つあります。^[52]

• 最近傍アルゴリズム
• 確率的データ関連付け
• 複数の仮説追跡
• インタラクティブマルチモデル (IMM)

航空機からのレーダー映像の反射はプロット抽出プロセスにかけられ、偽信号や干渉信号は除去されます。ターゲットからの反射のシーケンスは、プロット抽出装置と呼ばれる装置を通じて監視できます。

関連性のないリアルタイムのリターンは、表示される情報から削除され、単一のプロットが表示されます。一部のレーダー システム、またはレーダーが接続されているコマンドおよび制御システムでは、レーダー トラッカーを使用して、個々のターゲットに属するプロットのシーケンスを関連付け、ターゲットの方向と速度を推定します。

レーダーの構成要素は次のとおりです。

• クライストロンやマグネトロンなどの発振器で無線信号を生成し、変調器でその持続時間を制御する送信機。
• 送信機とアンテナを接続する導波管。
• アンテナが両方の状況で使用される場合に、アンテナと信号の送信機または受信機の間のスイッチとして機能するデュプレクサ。
• 受信機。受信したい信号（パルス）の形状がわかれば、整合フィルタを使用して最適な受信機を設計できます。
• 人間が判読可能な出力デバイス用の信号を生成するディスプレイ プロセッサ。
• これらすべてのデバイスとアンテナを制御し、ソフトウェアによって命令されたレーダースキャンを実行する電子セクション。
• エンドユーザーのデバイスとディスプレイへのリンク。

1 つのアンテナから送信された無線信号は全方向に拡散し、同様に 1 つのアンテナは全方向から均等に信号を受信し、レーダーには目標物体の位置を決定するという問題が残ります。

初期のシステムでは、全方向性放送アンテナと、さまざまな方向を向いた指向性受信アンテナを使用する傾向がありました。たとえば、最初に導入されたシステムである Chain Home では、受信用に 2 つの直角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す。最大の反射は、アンテナがターゲットに対して直角にあるときに検出され、最小の反射は、アンテナがターゲットに直接向けられているとき (端を上にして) に検出されます。オペレーターは、アンテナを回転させて、一方のディスプレイに最大値が表示され、もう一方のディスプレイに最小値が表示されるようにすることで、ターゲットの方向を判断できます。このタイプのソリューションの重大な制限の 1 つは、放送がすべての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、送信されるエネルギーのごく一部であることです。「ターゲット」に適切な量の電力を供給するには、送信アンテナも指向性である必要があります。

より現代的なシステムでは、操縦可能なパラボリック「皿」を使用して、タイトな放送ビームを作成します。通常、受信機と同じ皿を使用します。このようなシステムでは、自動操縦、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。

パラボラ反射鏡は、対称パラボラまたはスポイルパラボラのいずれかです。対称パラボラアンテナは、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。スポイルパラボラアンテナは、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の方が重要な場合に便利です。ほとんどの 2D 監視レーダーは、狭い方位ビーム幅と広い垂直ビーム幅を持つスポイルパラボラ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、特定の方位にある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「ノッダー」高度探知レーダーは、狭い垂直ビーム幅と広い方位ビーム幅を持つ皿を使用して、特定の高度にある航空機を検出しますが、方位精度は低くなります。

• プライマリスキャン: メインアンテナアンテナを動かしてスキャンビームを生成するスキャン技術。例としては、円形スキャン、セクタースキャンなどがあります。
• セカンダリスキャン: アンテナフィードを移動してスキャンビームを生成するスキャン技術。例としては、円錐スキャン、単方向セクタースキャン、ローブスイッチングなどがあります。
• パーマー スキャン: メイン アンテナとそのフィードを移動してスキャン ビームを生成するスキャン技術。パーマー スキャンは、プライマリ スキャンとセカンダリ スキャンを組み合わせたものです。
• 円錐スキャン: レーダービームは、ターゲットに向けられた「照準」軸の周りを小さな円で回転します。

パラボラ反射鏡と同様に、スロット導波管は機械的に動かされてスキャンされ、垂直パターンが一定に保たれる非追跡表面スキャン 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ため、船上、空港表面、港湾監視レーダーでは、パラボラ アンテナよりもこのアプローチが採用されています。

フェーズドアレイレーダーでは別の操縦方法が使用されます。

フェーズドアレイアンテナは、アンテナやスロット導波管の列など、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には、アレイ全体に位相勾配を生成する個別の位相シフトが組み込まれています。たとえば、アレイ面全体で波長ごとに 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 度離れた方向を向いたビームを生成します。そのビームに沿って伝わる信号は強化されます。そのビームからオフセットされた信号はキャンセルされます。強化の量はアンテナゲインです。キャンセルの量はサイドローブ抑制です。^[53]

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（マムートレーダー）から使われてきたが、電子装置の限界により性能が低かった。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われていた（セーフガードプログラムなどを参照）。艦載型イージス戦闘システムやパトリオットミサイルシステムの中核をなしている。多数のアレイ素子を持つことで生じる大規模な冗長性により信頼性は高まるが、個々の位相素子が故障するにつれて徐々に性能が低下する。フェーズドアレイレーダーは、それほどではないが気象 監視にも使われている。2017年現在、NOAAは気象研究や飛行監視のために、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整備する計画である。^[54]

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、航空機などの特定の形状に合わせて構築できます。

電子機器の価格が下がるにつれて、フェーズドアレイ レーダーはより一般的になってきました。現代の軍用レーダー システムのほとんどすべてはフェーズドアレイに基づいており、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の向上によって相殺されます。従来の可動アンテナ設計は、航空交通監視システムや類似のシステムなど、コストが重要な要素となる用途で今でも広く使用されています。

フェーズドアレイレーダーは、複数のターゲットを追跡できるため、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使用した最初の航空機は、B-1B ランサーでした。フェーズドアレイレーダーを使用した最初の戦闘機は、ミコヤン MiG-31でした。MiG-31M の SBI-16ザスロン パッシブ電子走査アレイレーダーは、 AN/APG-77アクティブ電子走査アレイがロッキードマーティン F-22 ラプターに導入されるまで、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^[要出典]。

位相アレイ干渉法または開口合成法は、1 つの有効開口に位相調整された個別の皿のアレイを使用するもので、電波天文学では広く使用されていますが、レーダー用途では一般的ではありません。薄型アレイの呪いのため、このような複数の開口アレイを送信機で使用すると、ターゲットに送信される総電力が減少する代わりに、ビームが狭くなります。原理的には、このような技術により空間分解能を高めることができますが、電力が低いため、通常は効果的ではありません。

一方、単一の移動源からの運動データを後処理する開口合成は、宇宙および航空機搭載レーダーシステムで広く使用されています。

アンテナは一般に、動作周波数の波長と同程度の大きさ、通常は 1桁以内の大きさにする必要があります。このため、より短い波長を使用するとアンテナが小さくなるため、使用が強く推奨されます。波長が短いと回折により解像度も高くなるため、ほとんどのレーダーに見られる成形反射鏡も、必要なビーム幅に合わせて小さくすることができます。

より短い波長への移行に反対する現実的な問題がいくつかあります。まず、高出力の非常に短い波長を生成するために必要な電子機器は、通常、より長い波長に必要な電子機器よりも複雑で高価であるか、まったく存在しませんでした。もう 1 つの問題は、レーダー方程式の有効開口数により、任意のアンテナ (または反射器) サイズでは、より長い波長の方が効率的になることです。さらに、より短い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。非常に長い波長には、地平線を越​​えたレーダーに適した追加の回折効果もあります。このため、さまざまな波長がさまざまな役割で使用されます。

伝統的なバンド名は第二次世界大戦中にコード名として始まり、現在でも世界中の軍隊や航空業界で使用されています。米国では電気電子技術者協会によって採用され、国際的には国際電気通信連合によって採用されています。ほとんどの国では、各バンドのどの部分を民間または軍事目的で使用できるかを制御するための追加の規制があります。

放送業界や電子対抗手段業界など、無線周波数の他のユーザーは、従来の軍事指定を独自のシステムに置き換えました。

変調器はRF パルスの波形を提供する役割を果たします。レーダー変調器の設計には 2 種類あります。

• 非コヒーレントキードパワー発振器用の高電圧スイッチ。^[55]これらの変調器は、高電圧電源、パルス形成ネットワーク、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、DC（通常はパルス）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など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、通常は非常に短い持続時間に保たれます。
• ハイブリッドミキサー^[56]は、波形発生器と励振器から供給され、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なければなりません。このように、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な、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ある。電子ビームは、プラズマを生成するのに十分な熱を生成できるマイクロ波出力の5～10倍の電力を含まなければならない。このプラズマは、コレクターからカソードに向かって流れる。電子ビームを誘導するのと同じ磁気フォーカスにより、プラズマは電子ビームの経路に押し込まれるが、逆方向に流れる。これにより、ドップラー性能を低下させるFM変調が発生する。これを防ぐには、最小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る。^[57]

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、これは吸湿性があり、加水分解して非常に可燃性の高いアルコールを形成します。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によるものでした。^[58]クーラノールは高価で有毒でもあります。米海軍は、廃棄物、大気放出物、および排水放出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。このため、今日ではクーラノールはあまり使用されていません。

レーダー（RADARともいう）は、国際電気通信連合（ITU）のITU無線通信規則（RR）第1.100条で次のように定義されている。 ^[59]

無線測位システムは、基準信号と、測位対象の位置から反射または再送信された無線信号との比較に基づいています。各無線測位システムは、恒久的または一時的に運用される無線通信サービスによって分類されます。一般的なレーダーの利用法は、一次レーダーと二次レーダーであり、これらは無線位置特定サービスまたは無線位置特定衛星サービスで運用される場合があります。

レーダーには、発信器、受信機、アンテナ、波長、スキャン戦略など、さまざまな構成があります。

• バイスタティックレーダー
• 連続波レーダー
• ドップラーレーダー
• FM-CWレーダー
• モノパルスレーダー
• パッシブレーダー
• 平面アレイレーダー
• パルスドップラー
• 合成開口レーダー
  • 合成薄型開口レーダー
• チャープ送信機を備えた地平線越えレーダー

• 地形追従レーダー
• レーダー画像
• レーダーナビゲーション
• 逆二乗則
• 波動レーダー
• レーダー信号の特性
• パルスドップラーレーダー
• ミリ波センシング
• 航空電子工学における頭字語と略語

定義

• 振幅比較モノパルス
• 一定の誤報率
• 感度時間制御

応用

• 近接信管

ハードウェア

• キャビティマグネトロン
• クロスフィールドアンプ
• ガリウムヒ素
• クライストロン
• オムニビューテクノロジー
• レーダーエンジニアリングの詳細
• レーダー塔
• 無線
• 進行波管

同様の検出および測距方法

• 音響的位置
• ライダー
• ロラン
• ソナー

歴史的なレーダー

• レーダー一覧
• チェーンホームとチェーンホームロー
• ヴュルツブルクレーダー
• ホーエントヴィールレーダー
• H2Sレーダー
• SCR-270レーダー

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• MIT ビデオ コース: レーダー システム入門 レーダー システムとテクノロジーの理解を深めるためにリンカーン研究所で開発された 10 本のビデオ レクチャーのセットです。
• 航空管制 (ATC) スタッフ向けに作成された教育ビデオのセット。
• レーダー用語集