レーダー

I

プロローグ

radio detection and rangingの略。照射した電波の反射を利用して視界にない物体の位置を把握し、電波の往復時間により物体までの距離を測定する装置。レーダーをつかえば、目標の存在とその距離だけでなく、目標の空間的な位置や大きさ、形、移動の方向と速さも確認することができる。当初は軍事目的に開発されたが、今日のレーダーは航空管制や気象観測、宇宙船の追跡・監視といった平和目的にも利用されている。

レーダーには、目標物に照射した電波の反射を利用する1次レーダーと、目標物が発射する電波をつかう2次レーダーがあるが、ふつうは1次レーダーのことをレーダーとよんでいる。方式としてはパルス状の電波をつかうパルスレーダーがもっとも多く活用されている。使用する電波は、超短波(VHF)からミリ波(100MHz～100GHz)がつかわれており、波長の短いものほど分解能が高いが、減衰も大きくなるため、遠距離用には波長の長いものが利用されている。

II

開発の歴史

1888年にドイツの物理学者H.R.ヘルツが電波の存在をはじめて実証し、電波は直進して反射することを発見した。1900年にはロシア出身でアメリカの電気技術者テスラが電波をつかったレーダーの概念を発表し、04年にドイツのヒルシュマイヤーは、船舶衝突防止用のレーダーの特許を取得した。22年には、イタリアのマルコーニが、電波で海上の物体をとらえる装置が製作できることを提唱している。

1924年、イギリスの物理学者アップルトンは、長波をつかって電離圏の存在を実験的に証明した。これは、電波をつかった距離測定実験の初の成功例となった。翌年にはアメリカの物理学者ブライトとチューブがそれぞれ独自に、パルス状の電波をつかって電離圏の高度を測定することに成功し、それが今日のパルスレーダーの原型となった。

実用的なレーダーは第2次世界大戦中に大きな進歩をとげた。1935年、イギリスの物理学者ワトソン・ワットは、初の実用的なレーダー装置を開発した。この発明をもとにイギリスは、39年までに南部および東部の沿岸に、敵機や敵艦の接近を警戒するレーダーを配備した。また、同じころに、マグネトロンとよばれる電子管をつかった大出力の高周波パルスを発振する技術も確立された。この技術から、極超短波(UHF)を利用するマイクロ波レーダーが誕生した。ドイツでも36年に海軍が2m波長のパルスレーダーの実験をおこない、空軍も39年ごろに超短波の600MHz帯(波長50cm)で直径3mのパラボラアンテナをそなえた本格的なレーダーを完成させている。日本ではレーダーのことを電探(電波探知機の略)とよび、39年(昭和14)に陸軍がメートル波のものを、41年には海軍が波長10cmのものを開発し、終戦までに数種のものが開発された。

現在と同様のレーダーを完成させたのはアメリカで、1940年から開発をはじめ、終戦までにレーダーに不可欠なマイクロ波電子管や表示装置、またロランなどの電波航法装置、GCA(Ground Controlled Approach：地上誘導着陸方式)やILS(Instrument Landing System：計器着陸システム)といった航空機の着陸支援装置を開発している。→航法の「電波航法」

III

レーダーの仕組み

電波は毎秒約30万km、すなわち光と同じ速さ(光速度)をもっている。レーダー装置は、送信機、アンテナ、受信機、表示装置からなる。ラジオのように放送局の送信機が発射した電波を受信機がとらえる(マルチスタティックレーダーという)のではなく、レーダーの送信機と受信機は、通常、同じ場所に設置される(モノスタティックレーダーという)。

一般的なパルスレーダーでは、送信機で搬送波(キャリア)とよばれる高周波信号を変調し、パルス波をつくりだす。このパルスの幅は、小さいほど物体を正確にとらえることができる(分解能が高い)。そしてパルス波は、アンテナから目標にむかった1本の束(ビーム)にまとめられて発射される。ビームの幅は小さくしぼられているほど方位の精度が高くなるため、ふつうパラボラアンテナが使用される。アンテナから放射されるビームの幅は、電波の波長に比例し、アンテナの大きさに反比例する。また、パルス幅とビーム幅は周波数が高い(波長が短い)ほど、容易にせまくすることができる。

パルス波がビームの途中にある物体にあたると、一部が反射されて反射波となる。アンテナはそのエネルギーをとらえ、受信機に送信する。これが増幅され、コンピューター処理をへて表示装置に表示される。表示装置としては、物体の位置を地図のように表示することができるPPI(Plan Position Indicator)表示とよばれるものが一般的である。これは、レーダーが設置された位置を極座標(→ 座標系)の原点とし、原点からの距離と方位により物体の位置をしめすものだが、現在では、さまざまな情報も同時に表示させることが可能となっている。

IV

レーダーの応用

レーダーは、航空機を滑走路に誘導したり、飛行中の航空機の状態を把握したりするなど、空の交通規制で大いに活用されている。また、船舶の誘導や気象予測にも広くもちいられている。竜巻や台風といった大気の大きな現象を探知するだけでなく、地域別の気象状況を観測し、降水量の情報などを提供している。

地球の周回軌道をまわる人工衛星に搭載されたレーダーは、地上および海洋資源の観測に利用されている。地球温暖化と環境破壊がすすむ中で、その重要性は高まっており、これらの人工衛星はまとめて、資源探査衛星とか環境衛星とよばれている。また、最近ではレーダー技術の向上によって、ミサイルや人工衛星もレーダーで観測できるようになった。さらに天体観測でも、レーダー技術は広く利用されている(→ レーダー天文学：電波天文学)。