【コラム】

軍事とIT

185 アンテナいろいろ(4)レーダーのアンテナ・その3

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今回も、レーダーのアンテナに関する話の続きである。目下の軍用レーダー業界における主役、すなわちフェーズド・アレイ・レーダーの話を取り上げることにしよう。

アレイ・アンテナ

リフレクタ・アンテナやスロット・アンテナを使用するレーダーで全周を捜索しようとすると、アンテナを回転させなければならない。指向性が強いのだから当然である。すると、個々の方位について見た場合、捜索は常に間欠的なものになる。例えば、10秒で1周するアンテナであれば、捜索は10秒ごとになる。

探知目標の移動速度が遅い場合は、10秒に1度の走査でも大して問題にはならない。しかし、航空機になると速度が一気に上がってくるし、巡航ミサイルの中には超音速で飛翔するものもある。弾道ミサイルになれば、さらに桁が上がる。

そうなると、間欠的な走査では足りず、継続的に捜索・追尾したいというニーズが出てくる。しかし、特定の方位に的を絞ってよければアンテナを固定することで解決できるが、全周をカバーしたいというニーズに対しては対応できない。言い換えれば、回転式のレーダーでは全周を同時に見ることができない。

これは、機械的にアンテナの向きを変える方法では実現できない。アンテナを回転させれば、必然的に捜索が間欠的になるからだ。そこで登場するのが「フェーズド・アレイ・アンテナ」だ。

これは、複数のアンテナ素子を縦横に、規則的に並べたアンテナ。アンテナ素子ごとに送信のタイミングを変えると、発生する合成波が進む向きを変えることができる。受信の場合、アンテナ素子ごとに受信のタイミングが微妙にずれるので、その時間差に基づいて電波の入射方向を計算する。

これにより、送信する電波の向きを電気的に変えて "振る" ことができるし、受信する電波の向きも計算できる。だから固定式の平面アンテナで上下・左右それぞれ90~120度の範囲をカバーできる。

送信にしても受信にしても位相の違いが関わってくるので、位相配列型アンテナ、すなわち、フェーズド・アレイ・アンテナという名称になる。そして、フェーズド・アレイ・アンテナを使うレーダーはもちろん、フェーズド・アレイ・レーダー(PAR)という。

アンテナ素子の並べ方によって複数のバリエーションがあり、直線状に並べるリニア・アレイ、縦横・平面状に並べるプレイナー・アレイ、円柱状に並べるサーキュラー・アレイ、任意の形状に沿って並べるコンフォーマル・アレイといったバリエーションができる。

一般的には平面配列を使用する。その平面がきちんと保たれていないと、レーダーの探知精度に関わってくるから面倒だ。イージス艦みたいに大きなフェーズド・アレイ・アンテナを装備している場合は、アンテナを取り付ける上部構造物をガッチリ造っておかないと、レーダーがゆがんでしまって使い物にならない。

コンフォーマル・アレイというとなじみが薄いかもしれないが、例えば、飛行機の機体表面にアンテナを埋め込むような形が該当する。以前に本連載第136回において、防衛省の先端技術実証機「X-2」とのからみで「スマート・スキン」を取り上げたことがあるが、そちらを参照してみていただきたい。

艦載用フェーズド・アレイ・レーダーの代名詞といえば、RCA社製(現在はロッキード・マーティン社製)のAN/SPY-1シリーズ。写真は米海軍のイージス駆逐艦「ベンフォールド」が装備しているもの。このレーダーはパッシブ・フェーズド・アレイ

アクティブ・アレイとパッシブ・アレイ

前回に取り上げたFRESCAN方式は、擬似的に位相を変える手段と言える。直接的に位相を変えることができれば、そのほうが話が簡単だ。

そこでフェーズド・アレイ・レーダーの場合、アンテナ素子ごとに位相を変えて送信しているのだが、それを実現する方法は大きく分けると2種類ある。言葉を換えると、個々のアンテナ素子と送信機の関係性による区分とも言える。

それがいわゆる、アクティブ・フェーズド・アレイと、パッシブ・フェーズド・アレイである。

アクティブ・フェーズド・アレイは、アンテナ素子ごとに専用の送受信モジュール(T/Rモジュール。T/RはTransmitとReceiveの頭文字)を持っている。一部のアンテナ、あるいは送受信モジュールが故障したり破壊されたりしても、残りで動作を継続できる利点がある。

同じものなのに分野によって呼称が違うのはよくある話だが、航空機の世界ではアクティブ・フェーズド・アレイ・レーダーをAESA(Active Electronically Scanned Array)レーダーと呼ぶことが多い。フェーズド・アレイ・レーダーという呼称を多用するのは艦艇の分野だ。

できるだけ小型で、消費電力が少なく、それでいて送信出力が高い送受信モジュールを実現するのが、フェーズド・アレイ・レーダーのキモだ。そのために素材面での工夫がなされている。これまでの主流はガリウム砒素(GaAs)だったが、窒化ガリウム(GaN)に主流が移りつつある。

ヘリコプター護衛艦「いずも」型のOPS-50は、GaNベースのアクティブ・フェーズド・アレイ・アンテナを使用する

対するパッシブ・フェーズド・アレイは、パッシブと言っているが、受信しかできないわけではない。アンテナ素子ごとに送受信モジュールを持つのではなく、1つの送受信機が複数のアンテナ素子を掛け持ちするタイプのことを、こういう。

送信機から送り出した電波は、導波管を経由してつながれた複数のアンテナ素子に枝分かれする。そして、移相器(フェーズ・シフター)によって位相を規定した上で送り出す。その操作を、複数のアンテナ素子について順番に行う仕組み。

つまりパッシブ・フェーズド・アレイ・レーダーでは、1つの送信機が、複数のアンテナ素子をカバーしている。送信機や導波管が故障したり破壊されたりすると、それが受け持っているアンテナ素子が一挙に使えなくなる。だから、冗長性の面では見劣りする。

しかし、小型で十分な出力を持つ送受信モジュールを開発しなくても実現できるので、こちらが先に登場した。イージス艦のAN/SPY-1レーダーは、実はこちらのタイプ。ただし、さすがに新型にしようという気運が高まり、後継モデルとなるAN/SPY-6の開発と、それを搭載する艦の建造計画が進んでいる。

回転式フェーズド・アレイ・レーダー

フェーズド・アレイ・レーダーを3~4面用意すれば、全周を同時に監視できる対空3次元レーダーができる。しかし、多数の部品で構成されるフェーズド・アレイ・レーダーは大きく、重く、高価なものだ。そこで、全周同時監視ができなくなる点には目をつぶり、1面のフェーズド・アレイ・レーダーを回転式にしたケースもある。

フランス海軍やイタリア海軍で使っているEMPAR(European Multi-function Phased Array Radar)は、パッシブ・フェーズド・アレイ・レーダーの回転式。対して、イギリス海軍で使っているサンプソンはアクティブ・フェーズド・アレイ・レーダーの回転式。

ただしどちらも、回転速度は一般的な対空捜索レーダーより速く、その分だけ頻繁な走査を可能としている。アンテナの平面をそのまま露出させずに、カバーを被せて球形の外見にしてあるので、ちょっと変わった外見だ。アンテナ面の保護や、風を受けたときの空力的な影響を避ける狙いによるのだろうか。

英海軍のミサイル駆逐艦「デアリング」が装備するサンプソン・レーダー。アクティブ・フェーズド・アレイ・アンテナを背中合わせに2面組み合わせて、カバーを被せて球形にしてある。写真では、アンテナ・アレイの輪郭線が僅かに見て取れる

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インデックス

連載目次
第195回 特別編・カール・グスタフ無反動砲
第194回 アンテナ(10)巨大なアンテナ - 「象のオリ」「スペース・フェンス」
第193回 アンテナ(9)艦艇用のアンテナは難しい
第192回 アンテナいろいろ(8)電子戦機器のアンテナ
第191回 アンテナいろいろ(7)潜水艦の通信
第190回 弾道ミサイル発射の探知手段いろいろ(2)
第188回 弾道ミサイル発射の探知手段いろいろ(1)
第187回 アンテナ(6)衛星のアンテナ
第186回 アンテナいろいろ(5)通信機器のアンテナ
第185回 アンテナいろいろ(4)レーダーのアンテナ・その3
第184回 アンテナいろいろ(3)レーダーのアンテナ・その2
第183回 アンテナいろいろ(2)レーダーのアンテナ・その1
第182回 アンテナいろいろ(1)アンテナの重要性
第181回 マン・マシン・インタフェース(6)カラー表示とモノクロ表示
第180回 マン・マシン・インタフェース(5)ポインティングとスマホ化
第179回 マン・マシン・インタフェース(4)どう操作するか
第178回 マン・マシン・インターフェイス(3)情報の見せ方・その2
第177回 マン・マシン・インタフェース(2)情報の見せ方(その1)
第176回 マン・マシン・インタフェース(1)インタフェースの良し悪しは重要
第175回 人工衛星(9)データ中継衛星と衛星間通信
第174回 人工衛星(8)データの受信・解析・配信
第173回 人工衛星(7)衛星管制網と衛星管制システム
第172回 人工衛星(6)UAVと衛星の関係
第171回 延命改修(7)形態管理
第170回 延命改修(6)ミサイルの場合
第169回 延命改修(5)艦艇の場合
第168回 延命改修(4)輸送機の場合
第167回 延命改修(3)AWACS機の場合 - E-3Cセントリーの機内を紹介
第166回 延命改修(2)F-15の場合
第165回 延命改修(1)総論
第164回 特集F-35(6)短距離離陸・垂直着陸を容易に実現
第163回 特集F-35(5)ソフトウェアの開発と飛行諸元の制限
第162回 特集F-35(4)不思議の国のALIS
第161回 特集F-35(3)CNIとデータリンク
第160回 特集F-35(2)EO-DASとHMD
第159回 特集F-35(1)精緻な組み立て工程
第158回 平成29年度概算要求における情報通信系の話題
第157回 装甲戦闘車両とIT(12)車両の無人化と自動走行
第156回 装甲戦闘車両とIT(11)IEDジャマー
第155回 装甲戦闘車両とIT(10)周辺監視用カメラなど
第154回 装甲戦闘車両とIT(9)アクティブ自衛システム
第153回 装甲戦闘車両とIT(8)砲弾と信管
第152回 装甲戦闘車両とIT(7)ネットワーク化とユーザー・インタフェース
第151回 装甲戦闘車両とIT(6)FBCB2とBFTとBMS
第150回 装甲戦闘車両とIT(5)指揮車という名のAFV
第149回 装甲戦闘車両(AFV)とIT(4)IED対応のアクティブ座席
第148回 装甲戦闘車両(AFV)とIT(3)砲兵の射撃統制装置
第146回 装甲戦闘車両(AFV)とIT(2)戦車の射撃統制装置
第145回 装甲戦闘車両(AFV)とIT(1)行進間射撃
第144回 X-2と将来戦闘機(10)運用構想と技術の関係
第143回 X-2と将来戦闘機(9)機内空間設計と3D CAD
第142回 X-2と将来戦闘機(8)FBWか、FBLか
第141回 X-2と将来戦闘機(7)データリンク
第140回 X-2と将来戦闘機(6)モデリングとシミュレーション
第139回 X-2と将来戦闘機(5)カウンター・ステルス
第138回 X-2と将来戦闘機(4)クラウド・シューティング
第137回 実はハイテクな救難ヘリコプター
第136回 X-2と将来戦闘機(3)スマート・スキン
第135回 X-2と将来戦闘機(2)推力・飛行統合制御[2]
第133回 X-2と将来戦闘機(1)推力・飛行統合制御[1]
第132回 軍事作戦と通信(5)通信とコンピュータの関わり
第130回 軍事作戦と通信(4)国立暗号博物館訪問記
第129回 軍事作戦と暗号(3)暗号の機械化
第128回 軍事作戦と通信(2)コードとサイファー
第127回 軍事作戦と通信(1)通信手段いろいろ
第126回 人工衛星(5)早期警戒衛星
第125回 人工衛星(4)測位衛星(航法衛星)
第124回 人工衛星(3)偵察衛星
第123回 人工衛星(2)通信衛星
第122回 人工衛星(1)軍事衛星の種類いろいろ
第121回 防空とIT(7)エネルギー兵器の場合
第120回 防空とIT(6)IAMD(防空とミサイル防衛の統合)
第119回 防空とIT(5)艦隊防空[その2]
第118回 防空とIT(4)艦隊防空[その1]
第117回 防空とIT(3)野戦防空
第116回 防空とIT(2)防空システムのコンピュータ化
第115回 防空とIT(1)第二次世界大戦における防空システム
第114回 米海軍イージス艦を見る(4)戦闘システムの形態管理
第113回 米海軍イージス艦を見る(3)艦橋の更新
第112回 米海軍イージス艦を見る(2)戦闘システムの更新
第111回 米海軍イージス艦を見る(1)「変わるもの」と「変えてはいけないもの」
第110回 電子戦とIT(10)蔵出し写真館・艦艇編
第109回 電子戦とIT(9)蔵出し写真館・飛行機編
第108回 電子戦とIT(8)電子戦装置の自動化
第107回 電子戦とIT(7)艦艇の電子戦装備
第106回 電子戦とIT(6)その他の電子戦
第105回 電子戦とIT(5)自衛用電子戦装備
第104回 電子戦とIT(4)ECCM
第103回 電子戦とIT(3)ECMとCOMJAM
第102回 電子戦とIT(2)脅威ライブラリ
第101回 電子戦とIT(1)電子戦とはなんぞや
第100回 水中戦とIT(9)ソノブイ・オペレーション
第99回 水中戦とIT(8) 潜水艦の目標運動解析(2)
第98回 水中戦とIT(7) 潜水艦の目標運動解析(1)
第97回 水中戦とIT(6)港湾警備・ダイバー探知
第96回 水中戦とIT(5)嫌らしい機雷
第95回 水中戦とIT(4)機雷戦その2
第94回 水中戦とIT(3)機雷戦その1
第93回 水中戦とIT(2)魚雷避けに関するいろいろ
第92回 水中戦とIT(1)水中戦とは?
第91回 艦艇のシステム化(6)タンクと電子制御
第90回 艦艇のシステム化(5)フネの中における通信手段
第89回 艦艇のシステム化(4)ズムウォルト級とTSCE-I
第88回 艦艇のシステム化(3)省人化とダメコン
第87回 艦艇のシステム化(2)指揮管制装置とは
第86回 艦艇のシステム化(1)システム艦とは
第85回 射撃管制(6)対地・対艦ミサイル
第84回 射撃管制(5)対空ミサイル
第83回 射撃管制(4)砲兵に特有の事情
第82回 射撃管制(3)機関銃・機関砲・火砲その3
第81回 射撃管制(2)機関銃・機関砲・火砲その2
第80回 射撃管制(1)機関銃・機関砲・火砲その1
第79回 相互運用性(5)相互運用性実現の足を引っ張るのは?
第78回 相互運用性(4)物資補給の相互運用性
第77回 相互運用性(3)情報システムの相互運用性
第76回 相互運用性(2)通信分野の相互運用性
第75回 相互運用性(1)相互運用性とは
第74回 不正規戦とIT(8)NATOが演習にソーシャル・メディアを取り込む
第73回 不正規戦とIT(7)国境線の侵入監視や港湾警備
第72回 不正規戦とIT(6)不正規戦と電子戦
第71回 不正規戦とIT(5)コミュニケーションに翻訳ツール
第70回 不正規戦とIT(4)民心掌握とIT
第69回 不正規戦とIT(3)通信を利用した追跡・捕捉
第68回 不正規戦とIT(2)コミュニケーション手段としてのIT
第67回 不正規戦とIT(1)宣伝戦とインターネット
第66回 衛星携帯電話も使いよう
第65回 個人用装備のIT化(5)無線機をめぐる話・いろいろ!?
第64回 個人用装備のIT化(4)個人用武器の精密誘導化
第63回 個人用装備のIT化(3)個人用情報端末機器のあれこれ
第62回 個人用装備のIT化(2) 個人レベルの通信網はどうするか
第61回 個人用装備のIT化(1) 個人レベルの情報武装
第60回 サイバー防衛(8) ソーシャル・エンジニアリング
第59回 サイバー防衛(7) サプライチェーンという戦場
第58回 サイバー防衛(6) オープンな場も戦場になる
第57回 サイバー防衛(5) 弱者の最強兵器
第56回 サイバー防衛(4) アクティブ・ディフェンス
第55回 サイバー防衛(3) 攻撃手段いろいろ
第54回 サイバー防衛(2) サイバー攻撃の動機・手段・内容
第53回 サイバー防衛(1) サイバー攻撃・サイバー防衛とは
第52回 軍事におけるシミュレーションの利用(6) 負傷者治療の巻
第51回 軍事におけるシミュレーションの利用(5) 計測とデブリの巻
第50回 軍事におけるシミュレーションの利用(4) 海の巻
第49回 軍事におけるシミュレーションの利用(3) 陸の巻
第48回 軍事におけるシミュレーションの利用(2) 空の巻
第47回 軍事におけるシミュレーションの利用(1) RDT&Eの巻
第46回 情報活動とIT(6) 情報戦とサイバー戦
第45回 情報活動とIT(5) 情報資料の配信と利用
第44回 情報活動とIT(4) 情報を管理するためのシステムに求められる課題
第43回 情報活動とIT(3) ELINT・COMINT・SIGINT
第42回 情報活動とIT(2) 画像情報のデジタル化
第41回 情報活動とIT(1) なぜ情報活動が必要か
第40回 軍艦・海戦とIT (6) 艦艇の設計・建造とIT
第39回 軍艦・海戦とIT (5) ダメージコントロール
第38回 軍艦・海戦とIT (4) ウェポンシステムとオープンアーキテクチャ
第37回 軍艦・海戦とIT (3) データリンクによるネットワーク化
第36回 軍艦・海戦とIT (2) 艦内ネットワークの整理統合
第35回 軍艦・海戦とIT (1) システム艦ってなに?
第34回 警戒監視体制の構築とIT(6) IT化と人手の使い分け
第33回 警戒監視体制の構築とIT(5) 宇宙空間とサイバー空間
第32回 警戒監視体制の構築とIT(4) 陸の警戒監視
第31回 警戒監視体制の構築とIT(3) 海の警戒監視
第30回 警戒監視体制の構築とIT(2) 空の警戒監視
第29回 警戒監視体制の構築とIT(1) 警戒監視とITの関わり
第28回 指揮統制・指揮管制とIT(4) : 関連する要素技術とまとめ
第27回 指揮統制・指揮管制とIT(3) 軍艦の戦闘指揮所
第26回 指揮統制・指揮管制とIT(2) 特定任務分野の指揮管制
第25回 指揮統制・指揮管制とIT(1) 戦略・作戦レベルの指揮統制
第24回 陸戦とIT(6) 兵站業務とIT活用
第23回 陸戦とIT(5) 地雷やIEDの探知もハイテク化
第22回 陸戦とIT(4) IT化と電源の問題
第21回 陸戦とIT(3) 陸戦と通信網
第20回 陸戦とIT(2) 陸戦兵器の精密誘導化
第19回 陸戦とIT(1) 陸戦における状況認識
第18回 UAVとモジュラー設計
第17回 UAVによる映像情報の収集とデータ処理
第16回 無人戦闘機は実現可能か?
第15回 UAVと有人機の空域共有問題
第14回 武装UAVのオペレーション
第13回 無人偵察機(UAV)に関する基本と武装化の経緯
第12回 Build a Little, Test a Little and Learn a Lot
第11回 イージス・アショアとモジュール化と相互運用性
第10回 ミサイル防衛に必要な通信網とネットワーク化交戦
第9回 イージス艦のベースラインと能力向上
第8回 イージス艦とはそもそも何か
第7回 弾道ミサイル防衛とC2BMC
第6回 F-35ライトニングIIの操縦システム
第5回 F-35ライトニングIIの兵站支援
第4回 F-35ライトニングIIのソフトウェア
第3回 F-35ライトニングIIとネットワーク中心戦
第2回 F-35ライトニングIIの"眼"
第1回 F-35ライトニングIIは何が違う?

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