レーダー

レーダーとは、電波を対象物に向けて発射し、その反射波を測定することにより、対象物までの距離や方向を測る装置である吉田Adamy。

現在の日本語では通常「レーダー」とカタカナで表記する。

1. 概要
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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 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と呼んでいた。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吉田。

レーダーは様々に分類され、製品タイプによる分類としては　パルスレーダー / 連続波レーダー /その他、またプラットフォームによる分類としては　船舶 / 航空 / 地上 / 宇宙と分けられる。アプリケーションによる分類では航空管制 / リモートセンシング / 地上交通管制 / 宇宙での航行・制御、またエンドユーザーによる分類では 自動車 / 航空 / 産業 / 気象観測 / 防衛/ その他 と分けられる。

レーダーは送信機、アンテナ、受信機など、様々なコンポーネントによって構成される。原理的に最も基本的なレーダーはパルスレーダーで、これは原理的には送・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吉田。それに対してバイスタティック・レーダーのように、送信機・受信機を大きく離隔して設置するシステムもある。一方、2019年時点で、レーダー業界の最大の収益を占めたのは連続波レーダーであったつまりレーダーで最もメジャーである。}}。

2. 構成
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2.1. 送信機
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送信機の性能は、送信周波数、送信出力、送信パルス幅、パルス繰返し周波数などの諸元によって決定される吉田。

従来のパルスレーダーの場合、送信周波数が低いほうが大気伝搬損失が少なく、大電力化が容易で、良好な受信系雑音指数を得やすいことから最大探知距離を延伸するには有利である。一方、周波数が高いほうが分解能の面では有利である。すなわち、探知距離の延伸と分解能の向上は原則的にはトレードオフの関係にある。ただし、例えばパルス圧縮レーダーでは、探知距離は尖頭出力ではなく平均出力によって、また距離分解能は送信パルス幅ではなく周波数帯域幅によって決定されるほか、角度分解能についても、アンテナや信号処理方式によって克服できるなど、周波数による制約は絶対的なものではなくなりつつある吉田。

送信機は、自励発振形と増幅形に分類できる。増幅形は、まず安定した信号を低電力で形成したのち、必要とするだけの大電力まで増幅するものであり、信号処理の柔軟性などに優れている吉田。

自励発振管
マグネトロン
多間隔クライストロン
増幅管
クライストロン
進行波管
交差電力増幅管
高電子移動度トランジスタ

2.2. アンテナ
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2.2.1. リフレクタアンテナ
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その名の通り、1次放射器から放射された電波を反射鏡に当ててビームを成形するものである。マイクロ波の領域で高い利得および狭いビーム幅を得ることができ、しかも、アレイアンテナと比して安価である吉田。

アンテナパターンとしてはペンシルビームが多く用いられるが、リフレクタの形状を適切に設定することで、ファンビームやコセカント二乗ビームなどを形成することもできる吉田。

パラボラアンテナ
カセグレンアンテナ
成形ビームアンテナまた1次放射器としては、ホーンアンテナが最も多く用いられるが、Sバンド以下のように低い周波数領域では、反射板付きダイポールアンテナが用いられることも多い吉田。

2.2.2. アレイアンテナ
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複数のアンテナ素子を規則的に配列し、一定の励振条件で給電するアンテナのこと。放射素子の振幅・位相を電気的に制御できることから、アンテナ指向性の制御を容易に行えるという特徴がある。

リニアアレイ - 直線状
プレーナアレイ - 平面状
サーキュラーアレイ - 円形状
コンフォーマルアレイ - 任意形状

2.2.3. 様々なアンテナ形式
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File:B735 Wetter Radar.JPG|ボーイング737の気象レーダーのプレーナアレイ・アンテナ。 File:BRP Tarlac RHIB Radar .JPG|小型船舶用レーダーのレドーム。漁船などにも搭載されている。 Radar tower airport Frankfurt - Radarturm Flughafen Frankfurt - 01b.jpg|フランクフルト空港のレーダーのリニアアレイアンテナ。 Radar-hatzerim-1-1.jpg|イスラエル軍の対空捜索レーダーのリフレクタアンテナ。 Usaf.e3sentry.750pix.jpg|早期警戒管制機。機体の上部に回転式のレドームを背負っている。 Ishigakijima meteorological radar 01.png|気象レーダーのレドーム Ishigakijima meteorological radar 02.png|レドームの内部

2.3. 受信機
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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吉田。

方式としては、スーパーヘテロダイン方式、超再生方式、直接検波方式があるが、スーパーヘテロダイン方式が大部分を占める吉田。

なお受信機・指示器では、下記のクラッターなどの影響を抑えるために下記のような機能をもつ回路を組み込むことがある。

海面反射抑制 近距離からの強い反射波に対して感度を下げ、遠距離になるにつれ感度を上げ、近距離にある物標を探知しやすくする。近距離からの強い反射波がありPPI表示の表示部の中心付近が明るくなりすぎるときに用いる。 雨雪反射抑制  検波後の出力を微分して物標を際立たせる。雨や雪などの反射波によって物標の識別が困難なときに用いる。

2.4. 表示装置
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レーダーの指示方式は、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つに大別される吉田。ディスプレイは「指示器」や「表示部」とも称され、アナログ表示の時代には、PPIスコープ方式のブラウン管が主流であった吉田吉田。現代は多くでデジタル方式で、液晶ディスプレイが用いられ、その画面サイズなどの呼び方も他の機器と変わらない。

2.4.1. アナログ表示
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アナログビデオの表示は、その画面表示の更新がアンテナの動きおよび電波の発射と同期して行われるため、画像繰り返し速度が低くなり、CRTの残光性への依存が大きく、明るい場所で画像を見ることが困難になるという問題があった吉田。

PPIスコープ PPIスコープは、レーダーの位置を基点として、アンテナビームの回転に同期させて放射状に掃引を行なって、受信した信号を表示するものである吉田。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った吉田。 PRIスコープでは、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ため、多数の目標を捕捉する際の分解能を高めるためには、レーダー波長の短波化が必須。 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。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吉田。 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を表示する。Aスコープでは、レーダー送信機のアンテナの方向は別に表示されるため、他方向に多数の対象物が存在する場合、測定結果を一覧できない。 Bスコープ 横軸に方位、縦軸に距離を示す方式吉田。 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する。 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と称される吉田。 Chain_Home_screen_shot_-NEDAD.2013.047.058A.jpg|Aスコープの一例。40マイル以内に複数の目標が存在する波形であるが、アンテナを動かし、その角度情報を元に推測をしなければ正確な方角と、二次元的な情報が得られない。 015706t.jpg|Bスコープの一例 SIXgunsalvo.jpg|A、B、Eスコープの一例。 PPI-scope.jpg|PPIスコープ Radar2.gif|PPIスコープの動作イメージ

2.4.2. デジタル表示
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レーダービデオをデジタル処理し、更にコンピュータで相関処理、識別処理などを行った結果から、目標のシンボル表示、高さおよび速度の数字表示などを高いリフレッシュレートで表示する方法である吉田。スキャナーが1回転するたびに得られる情報は機器内の記憶装置に貯えられ、1画面ごとに書き換えられる方式を採用しており、それにより様々な機能を表示できる。現代のレーダーの表示画面は、ほとんどがデイライト・タイプと呼ばれるものであり、通常の昼間光のもとでも見られるようになっている。

File:Tamer Kiran 049.jpg|トルコの船舶 Tamer Kiranのレーダー画面。日本無線製。 RV Thomas G. Thompson - radar monitor 01.jpg|ワシントン大学の調査船の操舵室のレーダーモニター。古野電気製。 Radar screen.JPG|現代の船舶で一般的なナビゲーションシステムのレーダー表示 File:US Navy 070913-N-1786N-051 Air Traffic Controller 2nd Class Branden Powell keeps track of aircraft using a SPN-43 radar screen during routine flight operations on board amphibious assault ship USS Tarawa .jpg|強襲揚陸艦「タラワ」の航空管制用レーダーの画面 ATC approach radar screen.jpg|1990年代の、空港の航空交通管制レーダーの画面 Radar monitoring current Dulles air traffic .jpg|航空交通管制レーダーモニター 737NG Navigation Display with weather radar showing. .jpg|ボーイング737のナビゲーション画面の気象レーダー表示 Salado, Texas 2022 tornado radar image.gif|気象レーダーの画面

3. レーダー方程式
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レーダーと目標との関係は、レーダー方程式によって表される。これはレーダーの受信電力を、レーダーの送信出力とアンテナ利得、レーダー反射断面積、送信波長、および目標までの距離の関数として計算するものであるAdamy。

：レーダーの受信信号エネルギー [Wsec]
：平均送信電力[W]
：アンテナ利得
：送信信号の波長 [m]
：レーダー反射断面積 [m²]
：パルスが目標を照射する時間：目標とレーダーとの距離また、パルスレーダーのようにアンテナを共用している場合のレーダー方程式は次式によって与えられる吉田。これはレーダー受信機内の受信電力を考えたものであり、レーダー受信電力方程式と称するべきものであるAdamy。

：レーダーの受信電力
：レーダーの尖頭電力
：アンテナ利得
：波長：目標とレーダーとの距離水平線上の探知可能距離の方程式

探知可能距離=4.12×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。

4. レーダー信号処理
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4.1. パルスドップラー処理
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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吉田。

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Adamy。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吉田。

4.2. 移動目標指示
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移動目標指示装置は、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Adamy。

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、速度の精度が低い一方、距離の精度では優れている吉田。

5. 特殊なレーダー技術
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5.1. イメージングレーダー
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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、レンジ方向の分解能向上はパルス圧縮によって、クロスレンジ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、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と称する吉田。

5.2. バイスタティックレーダー
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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」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。

5.3. パッシブレーダー
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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。

6. 外部環境の影響
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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。

6.1. サブ・リフラクション
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標準大気ではない、例えば大気の密度構造が逆転状態となる場合は、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。

6.2. スーパー・リフラクション
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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。

6.3. ラジオダクト
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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。

6.4. レーダー電波の減衰
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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、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。

6.5. クラッター
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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、レーダー信号処理においては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。

7. 歴史
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8. レーダーと法規
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8.1. 船舶のレーダーに関する法規
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8.2. 日本　
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日本の法規では、レーダーは無線局における無線設備の一種として扱われる。

政令電波法施行令第3条第2項第7号と電波法関係手数料令第1条第1項第2号には、「ある特定の地点から反射され、又は再発射される無線信号と基準となる無線信号との比較を基礎として、位置を決定し、又は位置との関連における情報を取得するための無線設備」と、総務省令電波法施行規則第2条第1項第32号には、「決定しようとする位置から反射され、または再発射される無線信号と基準信号との比較を基礎とする無線測位の設備」と定義している。 関連する定義として、

「無線測位」が第2条第1項第29号に「電波の伝搬特性を用いてする位置の決定又は位置に関する情報の取得」
「無線航行」が第2条第1項第30号に「航行のための無線測位」
「無線標定」が第2条第1項第31号に「無線航行業務以外の無線測位」がある。すなわち、レーダーは船舶・航空機の航行のための無線航行用とそれ以外の気象観測や速度測定や物体検知などのための無線標定用とに大別される。

無線局の種別と免許・無線従事者レーダーのみを無線設備とする無線局は、用途及び移動の可否により無線航行陸上局、無線航行移動局、無線標定陸上局、無線標定移動局として免許される。 これらの無線局は無線測位局と総称される。 詳細は各項目によるものとし、レーダーのみを無線設備とする無線測位局の操作又はその監督に最低限必要な無線従事者について掲げる。

上述より、

船舶搭載であれば無線従事者が不要な第4種レーダーでも、陸上に設置し密漁監視に使用するのであれば、無線標定用となり無線従事者を要する
スピード測定器でも、スポーツ・レジャー用の通称スピードガンであれば無線従事者は不要であるが、警察の速度取締用には無線従事者を要することとなる。

無線航行用レーダーと他の海上用または航空用の無線機器をあわせて無線設備とする無線局は、移動の可否により海上用は海岸局または船舶局、航空用は航空局または航空機局として免許される。これらの操作には総合無線通信士または各々、海上系もしくは航空系の無線従事者を要する。

但し、海上用の無線航行移動局では遭難自動通報局の無線設備