レールSAR

レールSARは、超広帯域葉侵入合成開口レーダー（UWB FOPEN SAR）とも呼ばれ、葉の後ろに隠れた目標物体を検出して識別できるレール誘導式の低周波インパルスレーダーシステムです。 ^{[1] [2]}これは、 1990年代初頭に米陸軍研究所（ARL）によって、葉や地面の侵入に対する航空機搭載型SARの機能を実証するために設計・開発されました。^[3]しかし、航空機搭載型プラットフォームで正確で再現性のある測定を行うことは困難で費用もかかるため、レールSARは陸軍研究所敷地内の4階建ての建物の屋上に、104メートルのレーザーレベルトラックに沿って構築されました。^{[1] [4]}

当時、railSARはUWBレーダーシステムの最高カテゴリーに属し、40MHzから1GHzまでの950MHz幅の帯域で2.5メガワットのパルス強度で動作していました。^{[1] [3] [4]完全な}偏光の高解像度レーダーデータを提供し、25％未満の帯域幅を持つ他のレーダーシステムと比較して185％の帯域幅を持っていました。^{[1] [5]}

RailSAR技術の応用範囲は、偵察目的で地雷や隠れた静止目標を検出する軍事用途から、ケーブルやパイプの検出、油層や地下水の測定、環境修復などの商業用途まで多岐にわたります。^[6]

レールSARの開発は、木や葉にカモフラージュされたり隠れたりしたターゲットを検出できる技術の開発を目的とした探索研究プログラムの一環として1988年に始まりました。^{[6] [7]}初期の取り組みは大きな課題に直面しましたが、アナログからデジタル (A/D) へのコンバーター技術、ソース技術、信号処理能力の進歩により、ARLの研究者は実現可能なシステムを開発し、葉や地中探知レーダーをより深く理解することができました。特に、インパルスレーダーの基本的な現象、特にターゲット、クラッター、クラッターに埋め込まれたターゲットの伝播効果を分析することに重点が置かれました。^[6]

レールSARには、長さ1.35m（4.5フィート）の直線型200オームTEMホーンアンテナが4本あり、2本は送信用、2本は受信用で、回転する非伝導性フレームに取り付けられており、このフレームはアルミニウムハニカムで作られ、無響フォームで覆われたヒンジ付きプレートに固定されていました。2つの送信アンテナは±45度の直線偏波で、2つの受信アンテナには低ノイズプリアンプとPINダイオード受信機プロテクターが付いていました。アンテナの設計は、もともと米国国立標準技術研究所（NIST）によって作成されました。アンテナの放射端に抵抗負荷された0.5メートルの平行板セクションを追加することで、開口部のエネルギーの一部を吸収し、高周波での反射損失を改善しました。アンテナアセンブリの後ろにあるインパルス送信機は、水素圧リードカプセルを使用して送信パルスを形成することで、アンテナを充電するだけでなく、アンテナを放電する役割を果たしました。^{[1] [8]}

ARL 設計のプログラム可能なゲートアレイベースのシステム、タイミングおよび制御 (T&C) 回路は、送信機と受信機プロテクターに駆動信号を供給しました。また、他の送信機からの干渉を効果的に低減すると同時に、近くの受信機への干渉を最小限に抑える役割も果たしました。2 台のコンピューターが GPIB (汎用インターフェイス バス) コマンドを 2 台の Tektronix DSA602A デジタルオシロスコープに渡し、トリガーと A/D クロック エッジ間の時間を測定し、そのデータを磁気光書き換え可能ディスクに保存しました。マスター コンピューターは、アンテナが搭載されたカートの動きを制御しました。^{[1] [8]}

1995年、移動可能な高信号対雑音比のレーダーを開発するため、 railSARの設計がboomSARの開発に取り入れられました。 ^{[2] [9]} 2016年までに、railSARは建物の屋上から屋内施設に移され、数回の軽量化と再設計が行われました。^[10]

一般的に、レーダーシステムは、より低い周波数でより効果的に葉や地面を透過します。これは、より長い波長の方がより短い波長よりも不透明な構造物をより深く透過できるためです。^{[11] [12]}しかし、透過能力が向上する代わりに、より低い周波数では画像の解像度が低くなります。^[11]

超広帯域レーダーは、非常に狭いパルス（つまり「インパルス」）を送信して十分に広い帯域幅を確保することで、この解像度の制限を克服することができます。^{[13] [14] [15]}しかし、パルスが短いとピーク電力が犠牲になり、周波数あ​​たりのピーク電力が周波数選択受信機のしきい値を下回ります。^[16]低電力により盗聴者が信号を検出することが困難になりますが、このトレードオフのデメリットは、処理コストが大幅に増加することです。^{[15] [17]}周波数あたりの電力がこのように低い場合、UWB信号を確実に受信するために、UWBレーダーシステムは、高サンプリングレートの受信機を使用してノイズにさらされるか、データレートを下げる信号平均を組み込むか、他の受信機に干渉する高い信号送信電力に上げる必要があります。^[16]さらに、帯域幅が広いと、誤報の可能性が高くなる可能性があります。^[15]

しかし、UWBレーダーの低周波と高解像度の組み合わせは、木の葉や地面の探知に非常に望ましいことが証明され、帯域幅の拡大はコストを上回る明確な利点をもたらしました。^[15]十分な探知に必要な周波数を達成しながら超広帯域に関連する処理コストのバランスをとるために、レールSARは、土壌や木の葉に隠された個々の地雷を検出するのではなく、非常に広い範囲にわたる地雷クラスターを識別するように設計されました。^[9]

railSARは当初、ARL構内の北側駐車場をターゲットエリアとして北向きに観測するために構築されました。このエリアは主に落葉樹が生い茂っていました。 ^[1]レーダーシステムは、高解像度の完全な偏光データの1つの完全な開口部を収集するのに約80時間を要しました。そのピーク電力は500kWで、パルス繰り返し周波数は40Hzで、平均送信電力は約20mWでした。レーダー画像を作成するには、railSARでフーリエ処理を画像領域内の非常に小さなパッチに制限する必要がありました。^[4]

レールSARは低周波信号を使用しているにもかかわらず、レールに沿って移動し、レールに沿った移動線に垂直な方向に反射信号を送受信することで、高解像度を実現できました。^[6]性能分析テストでは、レールSARは比較的低い誤報率で90％の認識確率を達成しました。詳しく調べたところ、個々の誤報はランダムノイズではなく、画像内の物体によって引き起こされることが多いことがわかりました。^[4]

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