レーダー反射断面積

レーダー反射断面積（RCS）

レーダー反射断面積（RCS、Radar Cross-Section）は、レーダーエコーが作られる能力を測るための重要な指標です。この概念は、特定の方向における電波の反射特性を示し、物体がどれだけ効率的にレーダー信号を反射できるかを数量的に表現します。一般にRCSは、幾何学的な断面積、反射率、および指向性に依存しています。

RCSの基本的な定義

物体にレーダー電波が照射されると、物体に電流が誘発され、散乱された電波が形成されます。RCSはこの散乱波によって定義されており、数式で表すと次のようになります：

$$
σ = ext{lim}_{R→∞} 4πR^{2} rac{|E_{r}|^{2}}{|E_{i}|^{2}}
$$

ここで、σはRCS値、|Er|は散乱電波の強度、|Ei|は入射した電波の強度、Rは物体とレーダー間の距離を示します。

RCSは一貫した値ではなく、様々な要因によって変動します。したがって、平均的なRCS値を扱うことが一般的です。平均的な数値をデシベルで表すことも可能で、その際1平方メートルを0 dBsmとし、例えば2平方メートルのRCSは3 dBsmに相当します。

周波数とRCSの関係

RCSは、電波の周波数に非常に敏感です。例えば、金属の球体を考えると、低周波数の領域（Rayleigh領域）ではRCSが増加し、中くらいの周波数では物体の大きさが波長と関連して最大値を示します。その後、高周波数の領域（幾何光学的領域）においては、幾何学的な断面積に近づく傾向があります。

一般的なレーダーシステムでは、特定の物体のRCSの範囲に関する目安がありますが、これには物体の設計や表面処理の影響が含まれます。

RCS低減策

基本設計が同一でも、例えば電波吸収材の使用や電磁波透過性材料を用いた設計変更によってRCSを下げることが可能です。たとえば、初期型F-16のRCSは5 m²であったのに対し、F-16C型では1.2 m²まで低下しています。また、F-117攻撃機は初の実用的なステルス機ですが、RCSは0.025 m²に抑えられています。さらに、F-22やB-2などの近代的な機体では、RCSは特に0.0001 m²という低い値を実現しています。

船舶におけるRCS

艦船に関してもRCSの概算式が存在し、アメリカ海軍技術研究所（NRL）が提示していますが、これもRCS低減策を考慮していないため、補正が必要です。基本的な式は次の通りです：

$$
σ = 52f^{0.5}D^{1.5}
$$

ここで、σはRCS、fはレーダー周波数（メガヘルツ）、Dは艦船の満載排水量（キロトン）を示します。

RCSと探知距離の関係

RCSは探知距離とも関連があり、パルスレーダーのレーダー方程式によって説明されます。この方程式は次のように表されます：

$$
Pr = rac{PtG^{2}λ^{2}σ}{(4π)^{3}R^{4}}
$$

ここで、Prはレーダーの受信電力、Ptはレーダーの尖頭電力、Gはアンテナ利得、λは波長、Rは目標とレーダー間の距離です。

RCSがσの物体の最大探知距離Rmaxは次のように計算できます：

$$
R_{max} = rac{Pt^{1/4}G^{1/2}λ^{1/2}σ^{1/4}}{Pr^{1/4}(4π)^{3/4}}
$$

この式から、探知距離はRCSの4乗根に比例します。例えば、F-117のRCSが0.025 m²に対し、B-52のRCSが100 m²である場合、探知距離の差は約8倍になると計算されます。これにより、探知される距離を半減させるためには、RCSをその4乗の16分の1にしなければなりません。

参考文献

関連項目としては、ステルス機やステルス性、散乱断面積などがあります。

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