Chapter 04

RCS — 目標はどれくらい電波を返すか

この章のゴール.

RCS（レーダー断面積、Radar Cross Section）が「見かけの断面積」であって実際の面積ではないことを理解し、 人 ≈ 0 dBsm、車 ≈ 10〜20 dBsm（dBsm は RCS を dB で表す単位。1 節 で定義する）という土地勘を持つこと。 そして「RCS は向きと瞬間で激しく揺れる量だ」という警戒心を持つこと。

この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. 波長 \(\lambda\)（02 章 1 節）、位相（02 章 2 節）、電力密度（02 章 4 節）、dB（02 章 5 節）、\(\sigma\)・レーダー方程式・SN 比（03 章）、パルス（01 章 5 節）

1. 定義 — 「等方に散らしたと仮定したときの面積」

03 章で \(\sigma\)（RCS）を「目標が実効的に受け止めて撒き散らす換算上の面積」と紹介した。正確な定義はこうである。

RCS とは、「目標がレーダーへ返した電力密度」を説明できるだけの電波を 等方（全方向均等）に散乱したと仮定したときの、仮想的な捕獲面積である。

これを式にする。目標位置での入射電力密度を \(S_{\text{入射}}\) [W/m²]、距離 \(R\) のレーダー位置に戻ってきた電力密度を \(S_{\text{戻り}}\) [W/m²] とする。 面積 \(\sigma\) [m²] で受け止めた電力 \(\sigma S_{\text{入射}}\) [W] を等方に散乱すると、距離 \(R\) では半径 \(R\) の球面 \(4\pi R^2\) に薄く広がるので、戻りの電力密度は \(\sigma S_{\text{入射}} / (4\pi R^2)\) になる。 これが実際の \(S_{\text{戻り}}\) に等しくなるように \(\sigma\) を決める、というのが上の定義だから

\(S_{\text{戻り}}\) 自体は \(1/R^2\) で減るので、\(4\pi R^2\) を掛けて帰り道の拡散を巻き戻すと \(\sigma\) は距離に依存しない目標固有の量になる。

単位は m²。dB 表記では 1 m² を基準にして dBsm（dB square meter）と書く。

「見かけの」面積である——実面積とは一致しない.

電波をレーダーの方向へ返しやすい形なら、実面積より何桁も大きな RCS になる。 返しにくい形なら何桁も小さくなる。RCS は幾何学的な大きさではなく、 「その向きから照らしたとき、どれだけ都合よく跳ね返すか」の指標である。

2. 土地勘 — 代表的な RCS

数字の趣旨は桁である。歩行者は車より 20 dB（100 倍）も返りが弱い。 03 章で見たとおり最大探知距離は \(\sigma^{1/4}\) に比例するので、同じレーダーで車が 200 m 見えるなら歩行者は \(200 \times (1/100)^{1/4} = 200 \times 0.316\) で約 63 m。 「歩行者検知が車検知よりずっと難しい」ことが式から出てくる。

3. 形がすべて — 3 つの基本形

3 つの式は次の理屈で出る（波長より十分大きい物体に対する近似）。

• 球: 金属球は凸面鏡なので、当たった電波をあらゆる方向へほぼ均等に跳ね返す。受け止める電力は断面積 \(\pi a^2\) ぶんで、それを等方に散らすのだから定義そのままで \(\sigma = \pi a^2\)。
• 平板: 正対した平板は受け止めた電力 \(S_{\text{入射}} A\) を鏡のように来た方向へ返すが、その戻りの電波は面積 \(A\) の開口から出る電波と同じで、等方に比べて \(G = 4\pi A/\lambda^2\) 倍に集中する（03 章 Step 5の \(A_e = G\lambda^2/(4\pi)\) を \(G\) について解いたもの）。等方散乱に比べて戻りが \(G\) 倍なのだから \(\sigma = A \cdot G = 4\pi A^2/\lambda^2\)。
• コーナーリフレクタ: 3 回反射で電波を来た方向へ返すので平板と同じ理屈が使え、最も強く返す向きから見たときの実効的な板の面積が \(a^2/\sqrt{3}\) になる。平板の式に \(A = a^2/\sqrt{3}\) を入れると \(4\pi a^4/(3\lambda^2)\)。

数値で驚いておこう。一辺 10 cm の平板（面積 \(A = 0.1 \times 0.1 = 0.01\) m²）を 77 GHz（λ = 3.9 mm = 0.0039 m）で正対させると

コーナーリフレクタで \(a = 0.3\) m なら \(4\pi \times 0.3^4/(3 \times 0.0039^2) \approx 2200\) m²（33 dBsm）で、これが 2 節 の表の値である。

手のひらサイズの板が、乗用車並みに光る。 平板の RCS が \(\lambda^2\) で割られていることに注意—— 波長が短いほど同じ板がより「大きく」見える。ミリ波で小物がよく見える理由の 1 つである。

コーナーリフレクタは「レーダー界の反射材」である.

3 枚の直交した金属面に入った電波は、3 回反射すると来た方向へ正確に戻る （自転車の反射板やビリヤードの 2 クッションと同じ幾何学）。 向きに鈍感で RCS が計算できるので、レーダーの感度試験・校正のターゲットとして必ず登場する。 小舟がレーダーに写るように掲げるのも、試験場の基準反射体もこれである。

向きで変わる反射を見る

Web 版のこの見出しの下には、平板・球・コーナーリフレクタを回転させて、返ってくる強さがどう変わるかを比べられる動く図がある。 平板の鋭さとコーナーの寛容さの対比が見どころである。

4. アスペクト角依存 — ギザギザに揺れる

実際の目標（車・人・飛行機）は 1 枚の板ではなく、多数の反射点の集合である。 各反射点からのエコーはレーダーまでの道のりが少しずつ違うので位相が違い、それらが足し合わされる。 目標の正面方向とレーダーから見た方向のなす角をアスペクト角と呼ぶ。 アスペクト角がわずかに変わるだけで各反射点までの道のりの差が波長のオーダーで変わり、強め合いと打ち消しが入れ替わるので、 RCS は数十 dB の振れ幅でギザギザと変動する。

RCS は 1 つの数字ではない.

2 節 の表の「乗用車 = 10〜20 dBsm」は向きを変えながら測った平均のざっくり値にすぎない。 実測すると、同じ車でも向きによって平均の 20 dB 下から 10 dB 上まで、−10 dBsm から +30 dBsm の範囲で暴れる。 波長より大きい物体では、これは避けられない物理である。

5. 揺らぎのモデル — スワリングモデル

角度が刻々と変わる実運用では、RCS は確率変数（観測するたびに値が変わり、「どの値がどのくらいの割合で出るか」という分布だけが決まっている量）として扱うしかない。 その古典的な分類がスワリング（Swerling）モデルである。中身は「揺らぎの速さ × 揺らぎの形」の組み合わせで、 考え方だけ押さえれば十分である。 ここで「観測」とは、レーダーが同じ目標にパルスをまとめて何発か当てて 1 つの結果を出す一区切り（パルスの束、05 章）を指す。 「観測間で独立」は束ごとに値が変わり束の中では一定、「パルス間で独立」は 1 発ごとに値が変わる、という揺らぎの速さの違いである。

実務への含意は 1 つ: 揺らぐ目標を確実に検出するには、揺らがない場合より余分の SN 比（数 dB〜10 dB 超）が要る。 たまたま「暗い瞬間」に当たっても見逃さないためのマージンである（検出確率の定式化は 13 章）。

6. ステルス — RCS を下げる技術

軍用機のステルスは、この章の裏返しである。

民生でも同じ物理が顔を出す。 バンパー内のレーダー取り付けでは、周囲の金属ブラケットが「意図しないコーナーリフレクタ」を作って 偽エコーの原因になる——ステルスの逆問題を、車載設計者は日常的に解いている（16 章）。

7. 実務の注意 — RCS の数字を扱うとき

8. この章のまとめ