レーダー入門

アプリケーションとしては、軍事、航空および地上交通管制、医療用画像処理、気象学、一般的なリモートセンシング（距離、速度、方向など）、地下探知などがあります。レーダーは、特定の周波数で電磁エネルギー波を送信し、その結果生じた波（エコーとも呼ばれる）を処理して受信機に反射し、物体の存在を示すことで機能します。

レーダーは数多くの利点を持つ強力な技術ですが、専門的な技術知識と経験が必要となり、新しい製品に設計することが難しい場合が多くあります。しかし、適切な背景とガイダンスがあれば、多額の予算や長いスケジュールを必要とせずに、革新的な新製品にレーダーを組み込むことができます。このホワイト ペーパーでは、エンジニアが次のレーダー製品の開発に取り掛かる際に役立つレーダーの概要を説明します。

歴史

レーダーの原理は1880年代後半に初めて実験されましたが、この技術がより活発に開発されるようになったのは1920年代になってからでした。軍事作戦で飛行機が一般的になるにつれ、防衛目的でかなりの距離から航空機を検出することが必要になりました。最初の基本的なレーダーシステムは1922年に米国海軍研究所で実証されました。

1930年代初頭までに、米国、英国、フランス、ドイツ、ソ連、イタリア、日本、オランダは軍隊用のレーダー システムを開発していました。これらのシステムは第二次世界大戦で活用され、その間に大きな進歩を遂げました。1950年代、1960年代にはレーダーのさらなる進歩が達成され、現在まで続いています。

レーダー周波数

レーダーのアプリケーションと製品は動作周波数がさまざまですが、そのほとんどは2.4 GHzから77 GHzの範囲の産業、科学、医療 (ISM) 周波数帯域のいずれかで動作します。一部のレーダー製品は2.4 GHz未満で動作しますが、これらはあまり一般的ではなく、通常はニッチなアプリケーションを対象としています。

図 1 は、レーダーの動作周波数と、北大西洋条約機構（青）および電気電子技術者協会（赤）によって割り当てられたバンド指定を示しています。無線スペクトルは、効率的な通信を確保し、人間に害を及ぼす可能性のある周波数の安全基準を維持するために編成および規制されています。

図 1: 標準レーダースペクトル

図 2 は、レーダーの一般的な用途とそれらが使用する周波数を示しています。この図は、レーダーの検出範囲が周波数によってどのように変化するかを示しています。長距離検出のアプリケーションでは10 MHz ～ 1 GHzの範囲の比較的低い周波数が使用され、自動車などの短距離検出のアプリケーションでは77 GHz帯域を含むより高い周波数が使用されます。

図 2: レーダーの一般的な用途と使用される周波数

動作原理

距離と方向のレーダー測定は、放射された電磁エネルギーを使用して行われます。これらの電磁波は、金属などの電気的に誘導する表面に当たると反射されます。これらの反射波が発生源で再び受信された場合、伝播方向に障害物があることを意味します。

電磁エネルギーは一定の速度、つまり光速（毎秒300,000キロメートルまたは毎秒186,000マイル）で空気中を伝わります。反射物体（飛行機、船、車）とレーダーサイト間の距離は、エネルギーパルスの送信と受信の間の時間を測定することによって決定されます。  

電磁波は直線的に伝わり、温度、湿度、高度などの大気条件による影響は大きくありません。特別に設計されたアンテナを使用することで、このエネルギーを目的の方向に集中させることができます。これらの原理は、反射物体の距離、方向、大きさ、速度を決定するために使用されます。レーダーには目視観測に比べて多くの利点があります。

一般的に、レーダー システムは、特別に設計された波形を使用して環境を調査し、対象のターゲットを識別して特徴付けます。

- 明るさに関係なく、いつでも動作します。

- 霧や雨など、あらゆる気象条件で動作します。周波数に応じて、壁や雪の層を貫通することができます。

- 非常に広範囲をカバーし、はるかに遠くにある物体を観察できます。

- 移動する物体を検出して追跡し、高解像度の画像化を通じて物体認識を支援します。

- 長時間無人で稼働し、必要に応じて自動アラートを発します。

レーダーシステムの種類

構成、スキャンパターン、用途に基づいて、レーダーはいくつかの種類に分類されます。最も基本的なレーダー システムは、パルス型とモノスタティック型です。パルスシステムは、周期的なバーストまたはパルスで電磁エネルギーを送信します。モノスタティック システムでは、レーダー送信機と受信機を同じ場所に配置し、両方の機能に同じハードウェアを使用します。今日使用されているレーダー システムのほとんどはより高度になっており、次のような種類が最も一般的です。

バイスタティックレーダー

バイスタティック レーダー システムは、ターゲットの予想距離と同程度の距離で分離された静的送信機と静的受信機で構成されます。このタイプのレーダーは、ステルス技術を備えた最新の戦闘機など、ターゲットが受信機の方向にエネルギーをほとんど反射しない場合や気象学に役立ちます。

形 3 : モノスタティック（左）とバイスタティック（右）レーダーシステム

連続波レーダー

連続波 (CW) レーダーは、他のレーダー システムに見られる従来のパルス エネルギー伝送とは対照的に、電磁エネルギーを継続的に放射します。エネルギーは一定速度で送信されるため、CWシステムの受信機は反射されたエネルギーを常に受信します。CWレーダーは、送信と受信の間の時間遅延の根拠がないため、距離を測定できません。

CWレーダーは動きを検出するのに効果的であり、ユーザーは移動する物体を追跡し、低空飛行する飛行機の下の地面などの静止した物体を無視することができます。CWレーダー システムはシンプルなため、製造コストが安く、信頼性が高く、コンパクトです。一部のCWレーダー システムは、100 km以上離れた場所にある移動物体を確実に検出できます。

ドップラーレーダー

ドップラーレーダーは、ドップラー効果を利用して検出された移動物体の速度を測定するCWレーダーのバリエーションです。ドップラー効果とは、電磁波が物体に反射してその周波数が変化する現象です。システムは、最初に送信されたものとは異なる周波数の電磁エコーを受信すると、このデータを使用して速度を計算できます。

ドップラーレーダーは、航空、探査衛星、メジャーリーグベースボールのStatcastシステム、気象学、レーダーガン、医療、ミサイル防衛システムなど、さまざまな用途で使用されています。ドップラーレーダーは気象学ではよく知られていますが、天気予報や分析に使用されるレーダーの一種にすぎません。 

パルスドップラーレーダーは、その名前が示すように、ドップラーレーダー技術とモノスタティックパルスを使用して物体の距離と速度を測定します。もともと、これらの技術は組み合わせるには複雑すぎましたが、1960年代から軍事用途で広く使用されてきました。今日では、これらのシステムは気象学にも広く使用されています。

モノパルスレーダー

モノパルスレーダーは、単一の狭い電磁エネルギーパルスを使用して、物体の距離と方向を正確に測定します。エネルギー信号が送信され、2つのビームに分割され、目的のターゲットの両側に広がります。2つの反射信号の差を分析して正確な方向を決定します。

図4: 主レーダー目標領域（青）の両側にあるモノパルスレーダー（黄色）の別々のビーム

モノパルス レーダー システムは、他のほとんどのレーダー システムよりもはるかに先進的であり、1960年代から1970年代までは一般的ではありませんでした。現在、これらのシステムは主に高精度の軍事用途に使用されています。

パッシブレーダー

パッシブ レーダー システムは、テレビ、FMラジオ、携帯電話、その他の通信放送システムなどのサードパーティの送信機から送信される電波を利用する点を除いて、バイスタティック レーダー システムに似ています。これらの送信機はそれぞれの目的のために信号を配信し、これらの信号の一部は飛行物体と交差し、パッシブ レーダー システムが生成された反射を検出します。パッシブレーダーの主な利点は、送信された波が物体を検出するためのレーダー信号として識別されないため、レーダーの存在がより秘密にされることです。

送信機は制御対象システムの一部ではないため、送信信号を選択して処理し、この情報から存在、方向、速度データを決定することが困難な場合があります。パッシブレーダーは歴史的に成功が限られていましたが、21世紀に入ってから、航空機の検出、気象学、その他の目的に役立つ選択肢としてシステムが成熟してきました。

合成開口レーダー（SAR）

合成開口レーダー (SAR) システムは、広範囲の地形画像化に使用されます。これらの画像は高解像度で撮影され、地質学、環境監視と地図作成、軍事偵察などに使用されます。他の種類のレーダーと同様に、SARシステムは、従来の画像技術とは異なり、時間帯や大気の状態に関係なく高品質の画像を収集できます。

図 5: SARシステムで撮影した米国議会議事堂と議会図書館の画像

SARシステムは他のレーダー システムに比べてコストが高く、その利用範囲が限られていますが、近年、小規模な用途への応用が検討されています。

地中探知レーダー

地中レーダー (GPR) システムは地中をスキャンし、地表の下に埋まっている物質や物体を特定します。これらのシステムは、地下に埋設されたユーティリティ システムの位置を特定して識別するために最もよく使用されます。一部のシステムでは、密度、土壌/岩石の組成、水分含有量など、地面自体のさまざまな特性を検出できます。地盤の構成と使用される周波数に応じて、地表から15メートル下まで測定が可能です。

図6: 公共設備の存在を検出するために一般的に使用されるGPRデバイス

レーダーエンジニアリング

レーダーを搭載した製品を開発する場合、設計の難易度は、必要なカスタマイズのレベル、利用できる設計エンジニアの経験、利用できる時間と資金など、多くの要因によって大きく異なります。これらの製品の開発は一般的に困難ですが、設計プロセスの開始時に適切な決定を下すことで、このプロセスは大幅に容易になります。

レーダー システムをコンポーネント レベルで設計すると、高度な柔軟性とカスタマイズ性が得られますが、開発にはより多くの経験とリソースが必要になります。適切なレーダーICを選択し、そのICと組み合わせる適切なアンテナを選択し、これらのコンポーネントをPCB上にレイアウトするには、豊富な経験が必要です。

代替手段として、レーダー モジュール ソリューションを利用すると、レーダーを使用する製品の開発に必要な専門知識とリソースを大幅に削減できます。アンテナの選択や構成など、多くの難しい設計上の決定は、モジュール設計者によってすでに行われているでしょう。これらの製品には重要なドキュメントも付属しており、設計が容易になり、製品開発期間を数か月、場合によっては数年も短縮できる可能性があります。

設計プロセスが完了すると、レーダー製品は販売および使用されるすべての国で認証テストを受ける必要があります。コンポーネントレベルの設計では、非常に徹底したレベルの認証テストが行われ、テストに合格しない場合は、追加の設計フェーズとテスト費用が必要になります。モジュール ソリューションは販売前に認証されるため、製品レベルの認証プロセス (依然として必須) がはるかに簡素化され、合格しやすくなります。

コンポーネントベースのソリューションとモジュールベースのソリューションのどちらが適しているかにかかわらず、Arrowには次のレーダー製品に役立つあらゆるものが用意されています。Arrowは、規模の大小を問わずあらゆるアイデアを、顧客の問題を解決し、リスクを軽減し、市場投入までの時間を短縮する成功する製品に変えるためのエンジニアリングの専門知識を備えています。

この記事は、Arrow Electronicsのソリューション アーキテクトであるCameron Bloomによって執筆されました。

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