【特別分析】対UAVシステムにおけるSバンド、Cバンド、Xバンドを含む3つの主流バンドレーダーの認識能力に関する研究

無人航空機 (UAV) の広範な配備により、低空の安全防衛と現代の戦場での対立における攻撃と防御の状況が再構築されています。小規模な戦術偵察や特攻から戦略レベルでの集団攻撃や長距離攻撃に至るまで、UAV は戦場の力学を変える極めて重要な要素となっています。対UAVシステムの「防衛の第一線」として、レーダーの帯域選択はUAVターゲットの識別効率と防御チェーンの応答速度を直接決定します。それぞれ異なる電磁特性を特徴とする 3 つの主流レーダー帯域 (S、C、X) は、差別化されたアプリケーション シナリオと UAV 検出の能力しきい値をカバーします。複雑な電磁波対策環境や極端な気象条件で運用する大型の統合型偵察攻撃 UAV や小型の消費者グレードのドローンを扱う場合でも、さまざまな帯域のレーダーの技術的適応性、戦術的なメリット、および実際の運用上の欠点は、対 UAV 防衛システムの構築ロジックとリソース割り当て戦略に重大な影響を及ぼします。

1.Sバンドレーダー、Cバンドレーダー、Xバンドレーダーの特徴と違い

レーダーによる無人航空機 (UAV) の識別は、基本的に、特定の周波数帯域の電磁波を送信し、ターゲットによって反射されたエコー信号を受信し、信号処理を通じてターゲットの距離、速度、姿勢、レーダー断面積 (RCS) などの主要な特性パラメーターを抽出し、それによってターゲットの検出、軌道追跡、および属性の識別を完了するプロセスです。 S、C、X バンドの分類は、電磁スペクトルの周波数範囲の違いに基づいています。このような違いは、伝播特性、ビーム幅、解像度、耐干渉能力などの主要な指標における性能に直接影響を与え、最終的にはさまざまなタイプの UAV を識別する能力の限界を定義します。レーダー距離方程式のコア ロジックに基づいて、検出距離は送信電力およびアンテナ ゲインと正の相関があり、検出可能な最小信号と負の相関があり、ターゲット RCS の 4 分の 1 乗に比例します。さまざまな周波数帯域の電磁特性がこれらの重要なパラメータに影響を及ぼし、その結果、ターゲット識別機能が段階的に区別されます。

具体的には、S バンドは 2 ～ 4 GHz の周波数範囲と 10 ～ 15 センチメートルの波長をカバーし、中波帯に含まれます。その主な利点は、大気中での電磁波の伝播損失が低く、減衰係数がわずか 0.01 ～ 0.03 dB/km であり、強力な透過能力を実現します。 C バンドは 4 ～ 8 GHz の周波数、3.75 ～ 7.5 センチメートルの波長で動作し、中波と短波の間の遷移ゾーンに位置し、伝播損失 (0.05 ～ 0.1 dB/km) と分解能のバランスが取れています。 X バンドは、8 ～ 12 GHz の周波数と 2.5 ～ 3.75 センチメートルの波長に及び、短波バンドとして分類されます。狭いビーム幅と 1 メートルを超える距離分解能を備えていますが、大気伝播損失 (0.1 ～ 0.3 dB/km) が著しく高く、雨、雪、霧などの気象条件の影響をはるかに受けます。これらの明確な帯域特性は、ドローン探知の中核要件に直接対応しています。S バンドは長距離の早期警戒に最適で、C バンドはバランスの取れた中距離の識別に重点を置き、X バンドは高精度の短距離追跡に特化しています。 3 つのバンドが一緒になって、自然に補完的な機能システムを形成します。

無人航空機 (UAV) の RCS 特性と波長帯の選択の間には重要な相互関係があることは注目に値します。公開データによると、超小型 UAV の RCS は 0.001 ～ 0.005 平方メートル程度であり、小型 UAV の RCS は約 0.01 ～ 0.02 平方メートル、大型の偵察攻撃一体型 UAV の RCS は約 0.1 平方メートルであることが示されています。レーダー射程方程式から導き出される、ターゲットの RCS が 0.1 平方メートルから 0.01 平方メートルに低下すると、同じレーダーの探知範囲は 40% 以上減少します。 RCS がさらに 0.001 平方メートルまで低下すると、検出範囲は 60% 以上縮小します。このルールは、X バンドの高解像度が低 RCS マイクロ UAV の識別に適している一方、S バンドの長距離検出の利点により大型 UAV ターゲットのロックに適していることを直接決定します。

2.主要3波長帯レーダーのメリット・デメリットと適用シナリオ

(I) Sバンドレーダー：広域早期警戒の「低空監視員」

Sバンドレーダーの核心的な強みは、長距離探知と強力な環境適応性という二重の特徴にあります。大気伝播損失が低いという利点を活かし、RCS が 0.1 平方メートルの無人航空機 (UAV) を 15 ～ 25 キロメートルの範囲で検出でき、RCS が 1 平方メートルの大型 UAV の検出範囲は 30 キロメートルを超えることもあります。国境線、軍事基地の周縁部、原子力発電所、大規模工業団地などの広域保護ゾーンを効果的にカバーでき、防衛システムに3～8分の早期警戒枠を提供し、迎撃兵器の配備と対応を支援するのに十分である。一方、S バンドの電磁波は、X バンドの波と比較して、雨、雪、霧などの悪天候下でもはるかに強い透過力を誇ります。 1 時間あたり 20 ミリメートルの降雨下でも、検出範囲は 10% ～ 15% だけ減衰するため、光や気象変動による重大な干渉を受けることなく、全天候かつ常時動作を継続できます。複数目標の識別に関しては、十分な電力余裕と信号処理帯域幅のおかげで、S バンド レーダーは数十、さらには数百の空中目標を同時に追跡でき、小規模の群がる UAV 攻撃に対抗する基本的な機能を実現します。

ただし、その欠点も同様に顕著であり、置き換えることはできません。まず、解像度が比較的低いです。波長が長いため、ビーム幅は一般に 1 ～ 2 度の範囲にあり、小型無人航空機 (UAV) の詳細な特徴を正確に捕捉することが困難です。レーダー断面積（RCS）が 0.1 平方メートル未満の超小型 UAV を識別するのは非常に困難であり、鳥や気球などの低高度の目標と混同される傾向があります。第 2 に、低高度のクラッター干渉が深刻です。都市部の建物群や山岳地帯などの複雑な地形では、地面から反射されたクラッター信号が UAV エコー信号と同様の周波数特性を共有し、誤警報率が上昇します。 Moving Target Indication (MTI) や Pulse Doppler (PD) などの高度なアルゴリズムでも、クラッター干渉を完全に除去することはできません。第三に、装置が大型で消費電力が大きいという特徴があります。典型的な S バンド フェーズド アレイ レーダーのアンテナは、通常 2 ～ 5 平方メートルの面積をカバーし、重量は数トンあります。その移動配備には専用車両または固定陣地が必要であり、最前線の戦術的移動防御の需要を満たすことができません。したがって、Sバンドレーダーは、固定された戦略的および作戦上の位置での広範囲の早期警戒に適しており、対UAV防衛システムの「長距離の目」として機能します。

(II) Cバンドレーダー：バランスの取れた性能を備えた多用途のオールラウンダー
Cバンドレーダーは、バランスのとれた性能を中核とする特性として、検出範囲と識別精度の最適なバランスを実現しており、中小規模の対UAV防御システムの主流のオプションとなっています。 8～15キロメートル離れたところからRCSが0.1平方メートルのUAVを、約4～6キロメートル離れたところからRCSが0.01平方メートルの超小型UAVを検出でき、これはSバンドレーダーとXバンドレーダーの中間の性能レベルです。工業団地、物流パーク、大規模なイベント会場などの中規模エリアの保護要件を満たすことができ、大規模な防衛システムにおける中短距離の隙間を埋めるコンポーネントとしても機能します。 CバンドレーダーはSバンドレーダーに比べて波長が短く、ビーム幅を0.5度～1度まで絞ることができるため、分解能が大幅に向上します。無人航空機の飛行姿勢や軌道をより高精度に追跡することができ、中小型無人航空機の識別精度は85％以上を達成します。 Xバンドレーダーと比較して、大気伝播の減衰が少ない。 1時間あたり20ミリメートルの降雨下でも検知範囲は20～25％減少するだけで、天候への適応力が強化され、厳しい気象条件下でも安定した識別性能が得られます。

C バンドの制限は主に 2 つの側面に反映されます。まず、低高度のクラッターをフィルタリングするプレッシャーが依然として残っています。 S バンドよりも性能は優れていますが、クラッター信号は、密集した建物群や樹木が茂った地域などの複雑な環境では依然として識別精度を損なう可能性があります。誤警報率を減らすには、レーダーと電気と光学の統合やレーダーと音響の統合などのマルチセンサー融合テクノロジーが必要です。第二に、その抗電磁干渉能力は中程度です。 C バンドは民間航空および衛星通信に一般的な周波数帯域であるため、民間の電磁信号からの干渉を受けやすくなります。強力な電磁波対策環境では、その信号は抑制や欺瞞に対して脆弱であり、ドローンターゲットの安定した識別を損ないます。さらに、C バンド レーダーは、S バンド レーダーと X バンド レーダーの中間のサイズと消費電力レベルを特徴としており、車載モバイル展開が可能です。それにもかかわらず、ポータブル X バンド レーダーと比較すると、十分な機動性と柔軟性が欠けています。全体として、C バンド レーダーのバランスの取れたパフォーマンスにより、最も幅広い適応性が実現します。これらは、小規模および中規模の対ドローン防衛システムを独立して構築することができ、調整された補完性を達成するために大規模な防衛ネットワークに統合することもできます。

(III) Xバンドレーダー: 正確な識別のための「短距離ハンター」

短波長特性を活用する X バンド レーダーは、ドローンの正確な識別と短距離迎撃誘導の中核となるソリューションとして機能し、その主な強みは高解像度と堅牢なアンチクラッター性能という 2 つの画期的な点にあります。波長が非常に短いため、ビーム幅を 0.1 ～ 0.5 度に狭めることができ、距離分解能は 0.5 メートル以内に達します。形状プロファイルやローター数などの小型ドローンの詳細な特徴を明確に識別でき、3 キロメートルの距離で RCS がわずか 0.01 平方メートルのマイクロドローンさえも正確に識別できます。これらは、FPV 自爆ドローンや徘徊兵器など、低く、遅く、小さな目標に対して優れた識別効率を示します。さらに重要なことは、X バンド レーダーは、ドローン ローターの回転によって生成されるマイクロ ドップラー周波数シグネチャを抽出して、ホバリングするドローンと地上のクラッターや鳥などの干渉物体を正確に区別できることです。たとえば、デンマークの XENTA-C レーダーは、ローターのマイクロドップラー信号を検出することでホバリングドローンの識別精度 95% 以上を達成し、低高度の小型目標を識別するという中核的な問題点に効果的に対処します。

その最大の弱点は、大気伝播損失や気象条件に大きく影響される探知距離の短さにあります。RCS が 0.1 平方メートルの UAV の探知距離はわずか 6 ～ 10 キロメートルですが、RCS が 0.01 平方メートルの超小型 UAV の探知距離は 3 キロメートル未満であるため、空港のクリア ゾーン、重要施設の中心エリア、会場などの短距離の防護シナリオにのみ適しています。大規模なイベント。厳しい気象条件下では、Xバンドレーダーの性能低下がより顕著になります。降雨量が 1 時間あたり 20 mm に達すると、検出範囲は 40% ～ 50% 減少する可能性があり、霧の天候では 60% 以上縮小する場合もあります。一方で、電磁干渉の影響を受けやすく、複雑な電磁環境における動作の安定性は、周波数ホッピングやスペクトル拡散などの耐干渉技術に依存しています。それにもかかわらず、X バンドレーダーは、体積と消費電力の点で顕著な利点を誇ります。小型 X バンド レーダーのアンテナ サイズは 0.5 平方メートル未満、重量は 100 キログラム未満にまで縮小でき、前線部隊や車載モバイル アプリケーションの戦術レベルの防衛需要を満たすために持ち運び可能に配備することもできます。したがって、Xバンドレーダーは、戦術的な短距離の正確な識別および迎撃誘導により適しており、対UAV防衛システムの「最後の防御線」として機能します。