光波ホーミング誘導

本項では、光波を媒体としたホーミング誘導について述べる。

概要

目標から返ってくる光波をシーカーで検知し、その方向に操舵することで、目標を捉える方式である。操舵においては、ほとんどが比例航法（PN）あるいは増強比例航法（APN）を採用している。
電磁波のなかでも、光波は電波（特にマイクロ波）と比して、より小さな装置で運用できる一方、周波数としての特性上から大気圏内の透過性が低く、従って目標を探知できる距離がより短いという欠点がある。このことから、光波ホーミング誘導方式の兵器は、電波ホーミング誘導よりも短い射程で、より軽便なものとして運用される傾向にある。また検知が困難という特性もあり、短距離での交戦には有効でアメリカ軍の過去25年間の被撃墜の90%は赤外線誘導ミサイルによる撃墜とされる。

赤外線誘導

赤外線誘導（英語: Infrared homing guidance, IRH誘導）は、目標が発する赤外線（InfraRed, IR）を赤外線センサによって捉え、目標を追尾して命中させる誘導方式。
発射後の誘導プロセスがミサイル内で完結するためにファイア・アンド・フォーゲット能力を備えており、誘導装置が比較的小型・軽量であることからミサイルの小型化も可能で、誘導プロセスが簡略であるため母機のレーダーが貧弱でも問題なかった。目標が大きな熱源となるエンジンを持つ対空ミサイルで主用されている。また、検知波長の変化や誘導システムの進歩に伴い、対艦ミサイルや対戦車ミサイルへの採用例も出始めている。
赤外線は、周波数の特性上、電波よりも大気圏内での透過性が低い。このことから、旧西側諸国においては、視程外射程のAAMにはレーダー誘導を、視程内射程のミサイルにはIRH誘導を採用していることが多い。一方、旧東側諸国においては、標的の回避を困難にして命中確率を向上させるために、レーダー誘導と赤外線誘導の2種のミサイルを同時に発射する戦法をとることから、視程外射程のAAMにもIRH誘導を採用している場合がある。
赤外線シーカーはレーダーとは異なり受動的な装置であるのでロックオンされても気付くのが困難で射程は視認できる範囲内で射程距離が短いという短所があるものの、過去25年間のアメリカ軍の被撃墜の90%は赤外線誘導ミサイルによるものである。熱追尾ミサイルの先端またはヘッド上の赤外線センサーパッケージは、シーカーヘッドとして知られている。空対空赤外線誘導ミサイル発射のためのNATOの略式コードはFox Twoである。

走査パターンと変調

初期の探知器の撮像素子は指向性が殆んどなく、おそらく100°以上の広い視野からの光を受け入れていた。その視野内のどこかに位置する標的は同じ出力信号を作り出した。弾頭の効果のある範囲内に標的に接近する事が探知器の目的なので探知器は視野をより小さい角度内に狭めるための装置を要する。これは通常、ある種の望遠鏡の焦点に撮像素子を置くことによって達成される。これは相反するため矛盾を抱えることに繋がる。視野が狭ければより正確になり、追尾を改善するための背景雑音の除去に役立つものの、視野が狭くなりすぎると標的が視野外に出てしまって見失う可能性がある。命中半径への誘導に効果があるためにはおそらく1°の追尾確度が理想的であるが、標的を継続的に追尾するためには10°以上の視野が望ましい。
この状況は容易な追尾を志向するために比較的広視野の使用と受信信号を何らかの方法で処理して誘導の精度の向上を得る複数の設計の使用をもたらす。一般的に探知装置全体は広視野で標的を追尾できるジンバル上に設置され、探知器とミサイルの機体との間の角度が誘導補正のために使用される。これは撮像素子が見る角度である瞬間視野(IFOV)、および全体の視野(オフボアサイト能力として知られる)の概念をもたらし、探知器全体の動きを含む。探知器は即座に動けないのでミサイルの飛行方向を横切って急速に移動する標的はIFOVから外れる可能性があり、それは通常、秒毎の角度で示される。

直線走査式

いくつかの初期のドイツの探知器では垂直と水平のスリットが検出器の前で動くことで走査する直線走査が使用された。スリットの幅は大きすぎても小さすぎても駄目なので直線走査式には固有の精度限界があり、さらに、二重往復運動は複雑で機械的に信頼性が低く、一般に2つの別々の検出器を使用しなければならない。

回転走査式

最も最初期に使用された探知器は回転走査、チョッパー或いはレティクル探知器と呼ばれた。これらは赤外線検出器の前に走査パターンに応じて模様が描かれた透明な板を一定の回転数で回転することにより標的の像を周期的に遮断した。信号の変動と回転角を参照して信号の変動が最小になる(ミサイルの進行方向の中心に標的が位置する)ように操舵する。

ハンブルクシステム

ハンブルクシステムは第二次世界大戦中に開発された簡略化された装置で回転する円盤の半分は黒く塗られ、残り半分は透明だった。検出器から見て時計回りに回転すると標的からの熱線を受け取った検出器によって正弦波の信号が生成され、視野の周縁部程、信号が強くなるためPID制御で円盤の角度を参照して操舵する。後にこの概念は発展してサイドワインダーミサイルの原型になった。

コニカルスキャン

回転走査式の概念はコニカルスキャンで大きく向上した。この配置は固定されたレティクルが検出素子の前にあり、小型のカセグレン式反射望遠鏡が焦点面に位置する。望遠鏡の副鏡は軸外し光学系で回転する。これによりレティクルそのものを回転するよりもレティクルの周囲を回転する標的の像が向上した。
探知器の反射鏡は5°傾斜していてミサイルはミサイルの正面に位置するように標的を追尾する。反射鏡の回転で標的の像は反対方向に反射されるのでこの場合には像はレティクルの中心部から5°ずれた位置に移動する。そのため標的を中心部に捕捉しても生成される信号はレティクル上を横切る。同時に回転走査式では中心部での連続した出力は0である。

十字配列探知器

十字配列探知器はレティクルの動きを模して物理的な検出器の配置を工夫したものである。旧式の光電素子は通常は円形であるが、製造技術の発展により如何なる形状にも加工出来るようになった。十字配列システムでは通常は4個の長方形の検出器が十字型に配置される。走査は概念的にはコニカルスキャンで標的の画像が回転中にそれぞれの検出器を横切る。
標的が視野の中央部に位置する場合には標的の画像は検出器の周囲を一周して同じ相対点でそれらを横切る。これにより、各検出素子からの信号は特定の時点で同一のパルスになる。ただし、標的が中央に位置していない場合には、前と同様に画像の通過が相殺される。この場合、分離された検出器間の距離は、信号の再現の間の遅延を変化させ、中心線からより遠い画像についてはより長く、そしてより近い場合はより短くなる。反射鏡に接続された回路は、コニカルスキャンの場合のように、制御のためにこの推定信号を生成する。検出器からの信号を制御信号と比較して必要な補正が行われる。

ロゼッタ探知器

ロゼッタ探知器はpseudoimagerとしても知られコニカルスキャンと似ているがバラ曲線を描くために反射鏡またはプリズムが追加される。固定角のコニカルスキャンと比較してロゼッタパターンはより高角度で走査するための像が向上する。

セミアクティブ・レーザー・ホーミング

セミアクティブ・レーザー・ホーミング（英語: Semi-Active Laser Homing, SALH）は、発射母体（あるいは他の照射機）のレーザー目標指示装置から目標に対してレーザー光を照射し、目標からの反射光をミサイルのシーカーで捉えることで、その方向へミサイルを誘導する方式である。
光波を使用して弾体を誘導するという概念はアメリカ合衆国特許第2,015,670号やアメリカ合衆国特許第2,309,329号のように1930年代から既に存在していたが、初期の研究はおおむね赤外線ホーミング誘導に注力していた。1950年代にベル研究所でレーザーが開発された事により、実現性が高まった。1962年よりアメリカ陸軍レッドストーン兵器廠においてレーザー誘導技術の開発が開始されており、この研究は、後にアメリカ空軍に移管され、1967年には航空システム部（Aeronautical Systems Division）において、ペイヴウェイ計画（Project Paveway）としてレーザー誘導爆弾の開発へと繋がっていった。アメリカ軍においては、第二次世界大戦時より無線誘導爆弾を使用していたが、レーザー誘導爆弾は命中精度及び信頼性が高く、水平飛行のみならず降下中からの投下も可能であるなど、柔軟度が高い利点があった。1968年には、量産発注が行われている。
レーザー誘導方式は、ミサイルの誘導方式としては比較的古典的なものであるが、初期においては、指令誘導の一種である半自動指令照準線一致誘導方式（SACLOS）などのビームライディング方式（LOSBR）が採用されているものが多かった。しかしこの場合、指令誘導という原理上、射程が長くなるのに伴って誘導誤差が増加し、特に移動目標に対する射撃精度において問題があった。これに対し、SALH方式は、比例航法（PN）ないし増強比例航法（APN）によるホーミング誘導であるため、ミサイルが目標に近接すればするほど誘導精度が向上するという長所があるが、一方で、操舵のための演算はミサイル側で行なうことから、技術的にはより高度で、高価となる欠点もある。
なお、LOSBR方式と同様に、SALH方式においても、照射機はレーザー誘導兵器が命中するまでレーザーの照射を続ける必要がある。これは電波ホーミング誘導におけるセミアクティブ・レーダー・ホーミング（SARH）方式とも通底する問題である。このことから、発射母体の生残性を向上させるため、発射母体とは別に、レーザー照射機を無人航空機に搭載したり、あるいは地上の特殊部隊に配備する場合もある。
命中するまで常にピンポイントで照射し続けなければならないので高速で移動する目標や濃霧や豪雨のような悪天候下で視界が悪い場合には適さない。

対抗策

パッシブ式、セミアクティブ式共にフレアやAN/ALQ-144や汎用赤外線妨害計画の一環としてDirectional Infrared Counter Measuresや民間航空機用では民間航空機ミサイル防衛システムのフライトガードやNorthrop Grumman Guardianのような光波妨害技術によって無力化が可能。

歴史

赤外線誘導の歴史は事実上第二次世界大戦前にまで遡る。最初の赤外線装置の実験は第二次世界大戦前に実施され、第二次世界大戦中にドイツの技術者達は熱線追尾と近接信管のミサイルの開発を進めていたものの、間に合わなかった。同時期に日本ではケ号爆弾が開発されていた。これは撃ち放し式の誘導弾としては最初期の機種で実戦には投入されなかったが足跡を残した。真の実用的な設計はコニカルスキャンの導入と真空管の小型化を待たなければならなかった。対航空機用の赤外線システムは1940年代末に着手されたものの、電子機器の性能が追い付いていなかった事と、ロケットの分野全体が非常に新しいため、実用化されたのは1950年代半ばだった。これらの初期の機種は大きな限界があり、1960年代の戦闘では非常に低い成功率だった。1970年代から80年代に開発された機種は長足の進歩を遂げ、撃墜率は大幅に向上した。1990年代以降の最新の機種では、視界外射程能力を備えた機種や地上の車両を対象にする機種もある。