レーダー

名称

Radarという単語は定着したアクロニムであり、英語のRadio Detecting and Ranging（電波探知測距） からきている。これはアメリカ人による命名であり、当初イギリスではRadio Locator（電波標定機）と呼称されていた。

日本語訳

「レーダー」の日本語訳としては、電波兵器研究に意欲的であった帝国陸軍の造語である「電波探知機」の名称・呼称があり、これは「電探（でんたん）」の略称とともに一般化している。この総称「電波探知機（電探）」をさらに陸軍では、電波の照射の跳ね返りにより目標の位置を探る警戒・索敵レーダーに対し「電波警戒機（警戒機）」（および「超短波警戒機」）、高射砲が使用する対空射撃レーダーに対し「電波標定機（標定機）」と二種類に区分している。この「電波探知機」の名称・呼称は陸軍のレーダー開発指揮者である佐竹金次少佐（当時）が、ある会議で「電波航空機探知機」と述べたのが簡略化（「電波探知機」）されて普及したものである。
なお、陸軍に遅れること数年後にレーダーを導入した帝国海軍においては、警戒・索敵レーダーに対し「電波探信儀」の名称・呼称を使用していた。さらに、目標の電波探信儀が発した電波を傍受する一種の方向探知機に対しては、（陸軍の造語で狭義のレーダーを意味する）「電波探知機」（および「超短波受信機」。略称として「逆探」とも）称を充てており、「（陸軍称および一般称たる）電波探知機」と混乱が生じている。なお、戦後は「（陸軍称および一般称たる）電波探知機」が広く世間に定着したため、「（海軍称たる）電波探信儀」は廃れている。

基本原理

その名の通り、電波を発射して遠方にある物体を探知、そこまでの距離と方位を測る装置である。人間の目がみている可視光線よりもはるかに波長が長い電波を使用することから、雲や霧を通して、はるかに遠くの目標を探知することができる。
最も基本的なレーダーはパルスレーダーである。原理的には送・受の各アンテナと送信機・受信機および指示器から構成されるが、実用機では、右図のように、送・受アンテナは共用されるのが一般的である。

受信機

レーダー装置においては、受信機の性能は基本的に雑音によって決定され、SN比の向上が目標となる。
方式としては、スーパーヘテロダイン方式、超再生方式（super regenerative）、直接検波方式（crystal video）があるが、スーパーヘテロダイン方式が大部分を占める。

指示器

レーダー指示器は、目標のレーダー情報（距離・方位・仰角など）をレーダーのオペレータに伝達するためのマンマシンインタフェースである。指示方式は、アナログ信号処理方式、デジタル信号処理表示方式、両者の合成表示方式の3つに大別される。

PPIスコープ

PPIスコープ（Plan Position Indicator scope、Pスコープとも）は、現代のレーダー指示器として最も代表的な方式である。レーダーの位置を起点として、アンテナビームの回転に同期させて放射状に掃引を行って、受信した信号を表示するものである。すなわち、レーダーの位置を中心として、レーダーで捉えられた目標が鳥瞰的に表示されることから、直感的に理解しやすいという大きなメリットがある。
しかし、このような表示方式の場合、レーダー波の波長が長いと近接した複数の対象物が同一の光点として表示されてしまう為、多数の目標を捕捉する際の分解能を高める為には、レーダー波長の短波化が必須となったが、波長の短波化と送信出力の強化の両立には高度な電子技術が要求される為、枢軸国では専ら送信出力を強化しやすい長波レーダーの開発に終始し、PPIスコープの採用までには漕ぎ着けなかった。
連合軍で運用されたPPIスコープを用いる初期のレーダーシステムでは、アンテナの回転角度に旧日本軍と同様の理由で一定の制約が存在したが、やがてマイクロ波レーダーと高利得のパラボラアンテナなどが主体のシステムに発展すると、アンテナは360度自動的に回転し続けるようになった。PPIスコープ上で目標物として表示される光点は、Aスコープでいうところの波形のピークに当たる部分である。旧日本軍の場合、各電測兵がAスコープの波形情報を、経験と技術によって二次元図として変換し認識していたのが、PPIスコープでは完全に自動化されるようになったので、連合国のレーダー担当員の負担は大幅に軽減され、測的の精度も飛躍的に高まる事となった。

Aスコープ

縦軸に受信信号強度、横軸に距離を取って波形を表示するものである（心電図のようなイメージ）。開発初期から用いられてきたが、現在でも受信信号強度の測定や信号の弁別のためのオシロスコープ表示として用いられている。
ある一定距離の目標物にアンテナを向ける場合、アンテナの角度が目標物に近づくにつれ、波形の山が大きくなっていき、方向が完全に一致すると波形が極大値（ピーク）を表示する。このようなシステムの場合、レーダー送信機のアンテナの方向は別に表示されていたため、他方向に多数の対象物が存在する場合、測定結果を一覧することができなかった。
Aスコープ方式を採用していた旧日本軍の長波レーダーの運用を例に取ると、送信・受信の各アンテナは兵士が手動または電動で動かし、受信機を操作する電測兵は伝令兵や有線電話からもたらされるアンテナの角度情報と、受信機のAスコープの波形から、どの方向のどの距離にどのような対象物が存在するかを頭の中で二次元図として描き出すことで把握する必要があり、多数の敵の同時測的には大変な熟練が要求された。機器の耐久性の問題から（送信用アンテナを受信用アンテナに直接向けると受信機が入力過大で破壊されてしまうなど）、アンテナの操作一つ取っても各兵士の連携と熟練が不可欠であった。

Bスコープ

横軸に方位、縦軸に距離を示す方式。
戦闘機などの空対空レーダーや連合軍艦船の射撃管制レーダーに利用されていた。この方式はAスコープでは比較的読み取りが明瞭な波形の強度(ピーク)情報が、PPIスコープに類似した光点の強弱のみで表されるので、正確な読み取りにはやや経験を要したものの、それまでの光学機器による弾着観測と比較して観測員の経験や練度による精度のブレが発生しにくい為、比較的練度の低い砲兵でも安定した射撃成績を挙げる事が可能となった。とりわけ夜戦や荒天下の砲撃戦では光学機器や肉眼目視の練度のみに頼っていた旧日本海軍に大きく差を付ける事に貢献した。Bスコープを元に横軸を方位、縦軸を高度としたものはCスコープと呼ばれ、高射砲の管制に用いられた。

Eスコープ

PPIスコープやBスコープが水平面の情報を表示するのに対して、垂直面の表示として用いられるのがEスコープである。横軸に距離、縦軸に仰角を表示するものと高さを表示するものがあり、後者はRHI（Range Height Indicator）と称される。

パルスレーダー

上記の通り、もっとも基本的なレーダーであり、その名の通りにパルス波を送信するものである。これはかなりきれいな立ち上がり・立ち下がり特性をもつ、極めて短い送信信号であり、そのデューティサイクル（パルス持続時間÷パルス繰返し間隔）は比較的低い。
パルスの送信は、相対的にはごくわずかな時間しか要さないため、送信と受信の両方に同じアンテナを共用できる。ただし送信パルスのほうが受信パルスよりもはるかに電力が高いことから、パルスが送信されているあいだの反射エネルギーから受信機を保護するため、送受アンテナ共用器（duplexer）などには何らかの対策が必要になる。
なおパルス繰返し周期が短いと、はるか遠方にある目標からのエコーパルスは次のパルスを送信した後に受信されることになってしまい、目標との距離を実際よりも短く誤認してしまうことがある。これらは2次エコーと称され、しばしば実目標のエコーと混同される。

連続波レーダー

連続波（CW）信号を送信するレーダーである。純粋な（変調を行わない）CWレーダーの場合、送受信信号間のドップラー偏移を測定することで、距離変化率を測定することはできるが、リターン信号電力の測定による不確実な推定以外に、目標との距離を測定することができない。
一方、連続波レーダーであっても、適切な変調を施すことで、長所をあまり損なわずに距離の測定が可能となる。変調方式としては、送信電波の周波数を周期的に変化させる周波数変調（FM）が代表的である(周波数変調連続波レーダー)。目標からの反射波が受信される時には送信波の周波数が変化していることから、その周波数差（ビート周波数）を測定して、距離を測定する。
パルスレーダーでは、距離分解能がパルス幅によって決まるが、周波数変調連続波レーダーでは周波数変化によって決まる。周波数変調連続波レーダーは送信波として連続波を使用するのでパルスレーダーのように高い送信出力がなくても所望の信号雑音比（SN比)を得ることができる。
周波数変調連続波レーダーは周波数偏移幅(Δf)の拡大で高分解能化が実現可能とされる。
周波数変調連続波レーダーでは、帯域幅1.5GHzでも20cmのターゲット距離差を分離できず、20cmが現実的な分離能力の限界と考えられる。

パルスドップラー処理

パルスレーダーのうち、ドップラー処理を行うものをパルスドップラーレーダーと称する。
これは処理装置と変調器のあいだにCW発生器を挟んで、各送信パルスをコヒーレントとしている。各送信パルスが同じ信号の継続であるために、位相に一貫性があり、受信機はエコーパルスをコヒーレントに検波できる。コヒーレント検波は感度において著しい利点を有するほか、ドップラ偏移の測定によって目標の相対速度も測定できる。これらの特性により、クラッタから移動目標を抽出する能力に優れている。しかし一方で、パルス繰り返し周波数(PRF)に相当する距離以上の目標距離は不確かであるため、連続波レーダーと同様に周波数変調を用いて測距を行うものや、複数の異なるPRFを用いて不確かさを排除する方式が用いられる。

移動目標指示

移動目標指示装置（moving-target indicator, MTI）は、地上の移動目標の探知を目的としたレーダーの一種である。
これは、低PRF方式のパルスドップラーレーダーの一種であり、ドップラー処理を用いてクラッタから移動目標を抽出するという点では同様であるが、高PRF方式を採用した狭義のパルスドップラーレーダーと比して、速度（ドップラー周波数）の精度が低い一方、距離の精度では優れている。

イメージングレーダー

目標物・地域を写真のような映像として写しだすレーダーをイメージングレーダーと総称する。高い位置分解能が求められることから、レンジ方向（レーダーと目標を結ぶ方向）の分解能向上はパルス圧縮によって、クロスレンジ方向（レンジ方向と直交する方向）の分解能向上は目標とレーダーとの相対的な運動によるドップラー周波数の解析によって行うことが多い。このうち、クロスレンジ方向の解析について、レーダー側が運動することによって行うものを合成開口レーダー（SAR）、目標側の運動を利用して行うものを逆合成開口レーダー（ISAR）と称する。

バイスタティックレーダー

軍事技術の一つに電波ステルスがあり、これはなるべく敵レーダーへの反射波を返さない技術である。近年では、計算機の発展に伴い、外面が曲面で構成されたステルス兵器もあるが、ステルス兵器が出現した当初は、平面で構成された外面を持っていた。これは、レーダーが送信されてきた方向へはなるべく反射波を返さずに、送信方向とは別の特定の方向にまとめて反射させる工夫である。ステルス技術には電波を吸収する工夫も含まれており、通常は形状によるステルスと共に電波吸収剤も併用される。電波を別方向に反射するステルス兵器を発見するためには、「バイスタティックレーダー（またはマルチスタティック・レーダー）」と呼ばれる送信アンテナと受信アンテナが遠く離れたレーダーシステムが有効だと考えられている。また、電波吸収体は吸収する周波数が固定されるため、広い周波数帯のレーダーが有効だと考えられている。

パッシブレーダー

送信機を持たず、他のレーダーや携帯電話の基地局、放送局などといった既存の発信源から発せられている電波を利用して目標を探知するレーダー。自ら電波を発しないため省電力であり、周波数帯域の節減にも益するほか、軍事的観点から電子防護能力やステルス性にも優れるというメリットがある。
上記のイメージングレーダーやバイスタティックレーダーからの技術応用もなされている。

外部環境の影響

厳密に言えば電波は空気密度の変化に応じて屈折率が変化する。標準大気の屈折率は高度が高くなるにつれて直線的に減少する。それにより電波は下方に曲がりながら伝播する。またその他に、電波が地表付近を通過すると回折現象により下方に曲がりこむ。これらにより例えば水上捜索レーダーや航海レーダーの2次元レーダーの場合、レーダー水平線までの距離（最大探知距離）は見通し距離に比べ若干ではあるが拡大する。つまりより遠方の物体を探知することができる。

サブ・リフラクション

標準大気ではない、例えば大気の密度構造が逆転状態（高さに対する温度低下が急激であったり相対湿度が高さと共に増加する場合）となる場合は、サブ・リフラクションといって電波が上方に曲げられるためレーダー水平線までの距離は短縮される。

スーパー・リフラクション

また大気の密度構造つまり高さに対する屈折率の低下の割合が急激な状態（温度の低下率が標準状態よりも少ない場合、または高さと共に温度が上昇するような温度逆転層がある場合、もしくは相対湿度が高さと共に減少する場合）となる場合は、スーパー・リフラクションといって電波が下方に曲げられレーダー水平線までの距離が延長される。

ラジオダクト

スーパー・リフラクションの状態がさらに著しくなると電波はさらに下方に曲げられて海面に達しそこで反射してまた下方に曲げられるということを繰り返し非常に遠方まで到達しレーダー水平線までの距離が大きく伸びる。この現象をラジオダクトと呼ぶ。

レーダー電波の減衰

電波は、大気中の酸素や水蒸気などの気体により吸収されたり、霧、雲、雨、雪などにより散乱して減衰したりする。波長の短い電波ほど大気中の気体に吸収され易く、電波を送信・反射・受信する間に、電波のエネルギーはその経路にある気体により吸収され減衰する。
10GHz以下の周波数では酸素や水蒸気等の気体による吸収はほとんど無視できる。雲や霧においては、視程が100m以上程度の濃度の場合、探知距離はほとんど影響を受けないが、視程が50m程度の濃霧の場合、影響を受ける。特にレーダーから測定対象までの距離が遠方にある場合（電波の往復距離が長いので影響を受けやすい。）、減衰が大きい。雨や雪の場合、雨滴が大きくなると散乱が急増し減衰が起きる。電波の波長が長くなると散乱による影響は少なくなる。雪の影響もほぼ同様の傾向を示す。
このようにレーダーでは、波長の長い（＝周波数が低い。）電波を使うと電波の散乱による減衰が少なく、遠くまで探知することができるが、一方で分解能が低くなるため、目標の解像度は悪くなる。逆に、波長の短い（＝周波数が高い。）電波は、空気中に含まれる水蒸気や雲・雨などに吸収・反射され易いので減衰が大きく遠くまで探知するのに困難を伴う一方で高い解像度を得ることができる。したがって、遠距離の目標をいち早く発見する必要性のある捜索用の対空レーダーや水上レーダーでは周波数が低い電波を用いる傾向があり、一方で射撃管制レーダーなど、目標の形・大きさなどを精密に測定する必要性のあるものでは周波数が高い電波を用いる傾向がある。

クラッター

軍用レーダーでは目標以外の反射波は本来不要であり、地面、海面、雲、雨などは「クラッター」として有意情報からは除外されなければならない。このことから、地面や海面からの固定した反射波をクラッターとして抑制するため、パルスドップラー処理や移動目標指示が行われる。
一方、気象レーダーなどでは航空機などによる反射波は不要であり、雲や雨が有意情報である。