レーダー反射断面積

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レーダー反射断面積(レーダーはんしゃだんめんせき、: Radar cross-section RCS)とは、電波に対し、どれだけのステルス性を持っているかを表す量である。面積の次元を持つ。この値が小さければ小さいほどレーダーに探知される距離が短くなる。特に断らない限りはRCSが最小となる正面での値が書籍などでのRCS値となるが、RCS値は全ての方向からのものが存在する。

定義[編集]

\sigma = \lim_{R \to \infty}4\pi R^2\frac{|E_r|^2}{|E_i|^2}
\sigma:RCS値
|E_r|:散乱電界強度
|E_i|:入射電界強度
R:目標とレーダーとの距離

目標とレーダーの距離Rは、最後に極限をとるので十分離れているとみなしてよい。レーダーから散乱体に入射する電磁波は散乱体近傍で平面波とみなせる。このときの電界強度が上で言う入射電界強度である。入射波によって散乱体に電流が誘起され、電流からの放射が散乱界を作る。ある方向の単位立体角あたりの散乱電磁界の持つエネルギーは\lim_{R \to \infty}4\pi R^2|E_r|^2で表される。この量は入射電力に比例するので、入射電力で割れば散乱体固有の放射パターンが得られる。これがRCSである。

レーダー方程式との関係[編集]

次にレーダー方程式を示す。

P_r = \frac{P_tG^2\lambda^2\sigma}{(4\pi)^3R^4}
P_r:レーダーの受信電力
P_t:レーダーの尖頭電力
G:アンテナ利得
\lambda:波長
R:目標とレーダーとの距離

レーダーの最低受信電力P_rが判れば、RCSがσである目標からの最大探知距離 Rmax は次の式で計算できる。

R_{max} = \frac{P_t^\frac{1}{4}G^\frac{1}{2}\lambda^\frac{1}{2}\sigma^\frac{1}{4}}{P_r^\frac{1}{4}(4\pi)^\frac{3}{4}}

上記の式より、探知距離はRCSの4乗根に比例する。例えば、B-52戦略爆撃機のRCSが100m2F-117攻撃機のRCSが0.025m2とすれば、(100/0.025)1/4 = 8倍のレーダー探知距離の差が生じる。また、探知される距離を2分の1にしたいのなら、RCSはその4乗の16分の1にする必要がある。

RCSR[編集]

RCS Reduction(RCSR)とは、RCSを減少させる技術である。RCSRに用いられる方法を列挙する。

形状によるRCSR[編集]

物体の形状を変えることで、電磁波の入射方向に散乱波を返さない方法である。物体の平面は反射の法則を満たす向きに電磁波を反射する。物体のエッジに電磁波が入射した場合はケラーの回折の法則を満たす角度にエッジ回折波が生じる。これらの法則を利用し、電磁波の散乱方向をある程度コントロールできる。

Radar-absorbent materialの利用[編集]

電磁波を吸収する物体であるRadar-Absorbent Material(RAM)を利用する方法である。エンジン回りなど大きな熱を持つ部分や、キャノピーでは適用できないか、適用できる物質が限定される。

アンテナについて[編集]

戦闘機のレーダーに用いられるアンテナは、アンテナの設計周波数以外の電磁波に対しては大きな反射源となる。このようなアンテナは多くの場合、ノーズに搭載されているが、反射方向を正面からそらすためアンテナ面を上方に向けて取り付けてRCSRを図ることもある。

注意[編集]

RCSは面積の次元を持つ[編集]

RCSは面積の次数で表せるが、1m2との比較をデシベルで表記することもよく行われる。(レーダー方程式が乗算や除算のみで成り立つ方程式であるため)単位はm2又はdBsm(DeciBel squared meter、デシベル・スクエアメーター)で表す。例えば1m2は0dBsm、2m2は3dBsmである。ただし、このような値は電磁波の波長(あるいは同じことだが周波数)が併記されていないと意味がない。複雑な物体によって散乱される電磁波は、物体の部分によって散乱された電磁波の重ね合わせになる。したがって散乱波の位相関係が重要になるので入射電磁波の波長によってRCSが変化してしまうのである。

RCSは幾何学的な反射面積を表していない[編集]

RCSはなにか直接の反射面積を表しているわけではなく、あくまで散乱物体の電波に対する低発見性を数値化して比較するためのものである。このことを踏まえてRCSは散乱体の有効反射面積であると言うこともある。RCSが0.01m2だから10cm角四方の金属板と同じ反射であるといった表現は、よくある間違いなので注意が必要である。例えば1m2の金属板が10GHzのレーダーに直角に位置する時のRCSは14,000m2であるように、一般に反射面積とRCSの値は異なる。ただし、半径aの完全導体球のaに対して十分波長の短い電磁波に対するRCSは\pi a^2 であり、散乱体の幾何学的な断面積とRCSの一致する例になっている。(ミーによる厳密解)そのため、RCSが\pim2だから半径1mの金属球と同じ反射であるといった表現は、(特殊なケースと比較していることは否定できないが)間違いではない。

RCSは電波ステルス性の指標である[編集]

ステルス性とは、電波ステルス性以外にIR(赤外線)ステルス性や可視光ステルス性を含む語である。RCSは特に電波ステルス性の指標であり、ほか2つの指標ではない。例えば、IRによる探知では主にエンジン後部の排気流から発せられる赤外線を探知するが、この現象にレーダー方程式は関係ないためRCSはIRステルス性の指標にならない。

関連項目[編集]