赤外線ホーミング
目標の赤外線放射を利用して追跡する兵器誘導システム

ドイツ空軍の 最新鋭IRIS-T赤外線ホーミング空対空ミサイル
IRIS-Tのシーカーヘッドの動き

赤外線ホーミングは、目標からの赤外線（IR）放射を利用して目標をシームレスに追跡する受動的な兵器誘導システムです。 [1]赤外線シーキングを使用するミサイルは、赤外線が高温の物体から強く放射されるため、「ヒートシーカー」と呼ばれることがよくあります。人、車両のエンジン、航空機など、多くの物体は熱を生成・放出するため、背景の物体と比較して、 赤外線波長の光で特に目立ちます

赤外線シーカーは受動的な装置であり、レーダーとは異なり、目標を追尾しているという兆候を示さない。そのため、前方監視赤外線または類似のキューイングシステムと併用すれば、視認遭遇時の奇襲攻撃や長距離攻撃に適している。熱シーカーは非常に効果的で、 1984年から2009年までの米国の航空戦での損失の90％は、赤外線ホーミングミサイルによるものである。[2]しかし、熱シーカーにはいくつかの単純な対抗手段があり、最も有名なのは、目標の背後にフレアを投下して偽の熱源を作ることである。これは、パイロットがミサイルに気づいて、対抗手段を適時展開した場合にのみ有効である。現代のシーカーは高度化しており、これらの対抗手段はますます効果を失っている。

最初の赤外線装置は第二次世界大戦中に実験されました。戦時中、ドイツの技術者たちは熱追尾ミサイルと近接信管の開発に取り組んでいましたが、終戦までに開発を完了する時間がありませんでした。真に実用的な設計は、戦時中に円錐走査と小型真空管が導入されるまで実現しませんでした。対空赤外線システムは1940年代後半に本格的に始まりましたが、電子機器とロケット工学の分野全体が非常に新しいため、1950年代半ばに最初の例が実戦投入されるまでにかなりの開発が必要でした。初期の例には大きな制限があり、1960年代の戦闘での成功率は非常に低かったです。1970年代と1980年代に開発された新世代のシステムは大きな進歩を遂げ、殺傷力を大幅に向上させました。1990年代以降の最新の例は、後方の視野（FOV）外の標的を攻撃し、地上の車両を見つけることさえ 可能です

赤外線シーカーは、多くの半自動照準線誘導兵器（SACLOS）の基盤でもあります。この用途では、シーカーはランチャーの旋回可能なプラットフォームに搭載され、オペレーターは小型望遠鏡を用いて手動で目標の大まかな方向にシーカーを向け続けます。シーカーは目標ではなくミサイルを追跡し、多くの場合フレアによってクリーンな信号を提供します。同じ誘導信号が生成され、細いワイヤーまたは無線信号を介してミサイルに送信され、ミサイルをオペレーターの望遠鏡の中心に誘導します。この種のSACLOSシステムは、対戦車ミサイルや地対空ミサイルだけでなく、他の用途にも 使用されてきました

熱追尾ミサイルの先端または頭部にある赤外線センサーパッケージは、シーカーヘッドとして知られています。NATOにおける空対空赤外線誘導ミサイル発射の略称はFox Twoです。[3]

歴史

初期の研究

ヴァンパイア暗視鏡は、照準システムとして光電子増倍管を使用し、スコープの上部に設置された赤外線ランプで照明を提供しました

赤外線を照射されると電子を放出する特定の物質の能力は、1901年にインドの博学者ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースによって発見されました。彼は方鉛鉱（今日では硫化鉛（PbS）として知られています）でこの効果を観測しました。あまり利用されず、彼は1904年の特許を失効させました。 [4] 1917年、セオドア・ケースは、後にムービートーン音響システムとなる研究の一環として、タリウムと硫黄の混合物ははるかに感度が高いものの、電気的に非常に不安定であり、実用的な検出器としてはほとんど役に立たないことを発見しました。[5]これは、アメリカ海軍によって安全な通信システムとしてしばらくの間使用されました。 [6]

1930年にAg-O-Cs（銀-酸素-セシウム）光電子増倍管が導入され、赤外線検出における最初の実用的なソリューションが提供されました。これは、方鉛鉱の層を光電陰極として組み合わせたものです。方鉛鉱から放出された信号を増幅することで、光電子増倍管は長距離の高温物体の検出に使用できる有用な出力を生み出しました。[5]これは多くの国、特にイギリスとドイツで開発につながり、 夜間爆撃機の検出問題に対する潜在的な解決策と見なされました

イギリスでは研究が停滞し、キャベンディッシュ研究所の主要研究チームでさえ、レーダーがより良い解決策となることが明らかになった後、他のプロジェクトに取り組みたいと表明しました。ティザード委員会でウィンストン・チャーチルのお気に入りだったフレデリック・リンデマンは、赤外線研究への取り組みを続け、レーダー開発を推進していた委員会の活動をますます妨害するようになりました。最終的に委員会は解散し、リンデマンを委員から外し、著名な無線専門家であるエドワード・ビクター・アップルトンをその地位に就かせました。[7] [8]

ドイツでは、レーダー研究はイギリスほどの支援を受けられず、1930年代を通して赤外線開発と競合していた。赤外線研究は主にベルリン大学のエドガー・クッチャーが主導し、 AEGと共同で作業を行った。[9] [5] 1940年までに彼らは、パイロットの前方に設置された光電子増倍管と、出力を赤外線範囲に制限するフィルターを取り付けた大型サーチライトで構成されるスパナー・アンラーゲ（簡単に言えば「のぞき魔システム」）を開発した。これは近距離で目標を視認するのに十分な光量を提供し、スパナー・アンラーゲは少数のメッサーシュミット Bf 110とドルニエ Do 17 夜間戦闘機に搭載された。しかし、これらはほとんど役に立たないことが判明し、パイロットは目標が200メートル（660フィート）まで見えなくなることが多いと不満を漏らした。[10] 1942年までにドイツの空中レーダーシステムの改良に伴い、わずか15台が製造され、撤去されました。[11]

AEGは戦車への搭載用に同じシステムに取り組んでおり、戦争中は多くのモデルを配備しました。1943年にはFG 1250の限定生産が開始されました。 [5]この開発は、夜間使用のためにStG 44アサルトライフルに使用されたZielgerät 1229 Vampirライフルスコープで最高潮に達しました。[12]

ドイツのシーカー

マドリッドシーカーは、エンツィアン地対空ミサイル用に開発されていました

前述の装置はすべて探知機であり、シーカーではありませんでした。目標の大まかな方向を示す信号を生成するか、後期の装置の場合はテレビ画像に似た画像を生成します。誘導は、画像を見るオペレーターによって完全に手動で行われました。戦時中、ドイツでは対空用と対艦用の両方で、真の自動シーカーシステムを開発するための多くの取り組みがありました。これらの装置は終戦時もまだ開発中でした。いくつかは使用可能でしたが、ミサイルの機体への統合作業は行われておらず、実際の兵器が使用可能になるまでにはかなりの努力が残っていました。それでも、1944年夏のドイツ航空省への報告書では、これらの装置はレーダーや音響方式に基づく競合システムよりもはるかに開発が進んでいると述べられていました。[13]

パッシブIRホーミングの利点を認識していたこの研究プログラムは、ターゲットからの放射を考慮したいくつかの理論的研究から始まりました。これにより、ピストンエンジンの航空機からのIR出力の大部分が3〜4.5マイクロメートルの間であるという実践的な発見につながりました。排気も強力な放射源でしたが、空気中で急速に冷却されたため、誤った追跡ターゲットにはなりませんでした。[14 ] 大気の減衰についての研究も行われ、水蒸気と二酸化炭素の存在により推移性が急激に低下するものの、空気は一般に可視光よりもIRに対して透明であることが実証されました。[15]最後に、雲からの反射などの影響を含むIRの背景発生源の問題も検討され、空全体で非常に大きく変化する方法が問題であると結論付けられました。[16]この研究は、赤外線シーカーが5キロメートル（3.1マイル）の距離から3発爆撃機を約1/10度の精度で追跡できることを示唆しており、[17]赤外線シーカーは非常に望ましい装置となっている。

クッチャーのチームは、キールのエレトロアコースティック社（ハンブルク）と共同でシステムを開発しました。このシステムは、ブローム・ウント・フォスBV 143 滑空爆弾に搭載され、自動発射・放物線型対艦ミサイルの製造に向けて準備されていました。より高度なバージョンでは、爆撃手がシーカーを軸外に誘導することで、直接飛行することなく側面の目標にロックオンできるようになりました。しかし、これは爆弾が最初に投下されたときに、空力面が容易に制御できないほど速度が遅く、目標がシーカーの視界から外れてしまうという問題を引き起こしました。この問題に対処するために、安定化プラットフォームが開発されていました。同社はまた、ミサイルの中心線から放射状に外側を向く追加の検出器を配置することで、機能する赤外線近接信管を開発しました。この信管は、ミサイルが目標を通過したときに信号強度が低下し始めたときに作動します。2つの別々のセンサーではなく、1つのセンサーを両方のタスクに使用するための研究が行われました。[18]

他の企業もEletroacusticの研究を取り上げ、独自のスキャン方式を設計しました。ウィーンのAEGとKepkaは、2枚の可動プレートが水平または垂直に連続的にスキャンするシステムを使用し、画像が消えたタイミング（AEG）または再び現れたタイミング（Kepka）でターゲットの位置を特定しました。Kepka Madridシステムは、瞬間視野（IFOV）が約1.8度で、20度のパターン全体をスキャンしました。ミサイル内のシーカー全体の動きと組み合わせることで、最大100度の角度で追跡できました。Rheinmetall-BorsigとAEGの別のチームは、回転ディスクシステムのさまざまなバリエーションを開発しました。[19]

戦後の設計

AIM -4ファルコンは、実戦に投入された最初の赤外線誘導ミサイルでした。半透明のドームにより、赤外線がセンサーに到達します
AIM -9サイドワインダーはファルコンに続いて就役しました。ファルコンよりもはるかにシンプルで、戦闘においてはるかに効果的であることが証明されました。
ファイアストリークは3番目に就役した赤外線ミサイルでした。アメリカの同等のミサイルよりも大きく、ほぼ2倍の重さがありましたが、これは主に弾頭が大きいためです

戦後、ドイツの開発がより広く知られるようになると、PbSセンサーをベースにしたシーカーの開発を行う様々な研究プロジェクトが始まりました。これらは、戦争中に開発された技術と組み合わせられ、本質的に不正確なレーダーシステム、特に円錐走査システムの精度を向上させるために使用されました。アメリカ陸軍航空隊（USAAF）によって開発されたそのようなシステムの一つ、「サントラッカー」は、大陸間弾道ミサイルの誘導システムとして開発されていました。このシステムのテストは、1948年のレイクミードでのボーイングB-29墜落事故につながりました。[20]

1946年、アメリカ空軍のプロジェクトMX-798は、赤外線追尾ミサイルの開発のためヒューズ・エアクラフト社に発注された。この設計では、シンプルなレチクルシーカーと、飛行中のロールを制御するアクティブシステムを採用していた。翌年、超音速バージョンを要求していたMX-904に置き換えられた。この段階では、爆撃機後部の長い管から後方に向けて発射する防御兵器という構想だった。1949年4月、ファイアーバード・ミサイル・プロジェクトは中止され、MX-904は前方発射型の戦闘機用兵器に方向転換された。[21]最初の試験発射は1949年に開始され、AAM-A-2（空対空ミサイル、空軍、モデル2）の名称とファルコンの名称が与えられた。赤外線（IR）型とセミアクティブレーダーホーミング（SARH）型はどちらも1956年に就役し、 1962年以降はAIM-4ファルコンとして知られるようになりました。ファルコンは複雑なシステムで、特に近接信管がないため性能が限られており、ベトナム戦争のローリングサンダー作戦では54回の発射で撃墜率はわずか9%でした。[22]しかし、この比較的低い成功率は、これらすべての撃墜が直撃であったという文脈で評価されるべきであり、これは他のアメリカのAAMによるすべての撃墜に当てはまりませんでした。

MX-798と同じ1946年、ウィリアム・B・マクリーンは海軍兵器試験所（現在は海軍航空兵器ステーション・チャイナレイクとして知られています）で同様のコンセプトの研究を開始しました。彼は3年間を費やしてさまざまな設計を検討し、ファルコンよりもかなり複雑さの少ない設計に至りましたチームは、実現可能と思われる設計を完成させると、それを新たに導入されたズーニ5インチロケットに搭載しようと試みた。1951年に発表し、翌年には正式なプロジェクトとなった。ウォーリー・シラーは、研究所を訪れ、シーカーが自分のタバコを追うのを見た時のことを回想している。[23]このミサイルは、地元のヘビにちなんでサイドワインダー と名付けられた。サイドワインダーはマムシ科の毒ヘビで、熱で獲物を捕らえ、ミサイルと似たような波打つような動きをすることから、この名前にはもう一つの意味があった。[24]サイドワインダーは1957年に就役し、ベトナム戦争で広く使用された。サイドワインダーはファルコンよりも優れた兵器であることが証明された。B型は14%の撃墜率を達成し、射程距離のはるかに長いD型は19%の撃墜率を達成した。その性能と低コストから、空軍もサイドワインダーを採用した。[22] [25]

アメリカ国外で初めて製造された熱追跡機は、イギリスのデ・ハビランド・ファイアストリークであった。開発はOR.1056レッドホークとして始まったが、先進的すぎるとされ、1951年に修正された構想がOR.1117として発表され、ブルージェイというコードネームが与えられた。対爆撃機兵器として設計されたブルージェイは、アメリカの同等の機体よりも大きく、はるかに重く、高速で飛行したが、航続距離はほぼ同じだった。ブルージェイは、性能向上のため無水アンモニアで-180℃（-292.0°F）まで冷却される、PbTeを使用した先進的な熱追跡機を搭載していた。際立った特徴の一つは、ファセット加工されたノーズコーンで、これは従来の半球形のドームでは着氷することが判明した後に選択された。最初の試験発射は1955年に行われ、1958年8月にイギリス空軍で就役した。[26]

フランスのR.510計画はファイアストリークよりも遅れて始まり、1957年に試験運用に入りましたが、すぐにレーダーホーミング型のR.511に置き換えられました。どちらも効果が低く、射程距離は3km程度と短かったため、1962年にはフランス初の実用設計であるR.530に置き換えられました。 [27]

ソ連は、 1958年の第二次台湾海峡危機の際に中国のMiG-17の翼に引っかかったサイドワインダーをリバースエンジニアリングした後、1961年に最初の赤外線ホーミングミサイルであるヴィンペルK-13を導入しました。K-13は広く輸出され、戦争中ずっとベトナム上空で同種のミサイルと対峙しました。誘導システムと信管が継続的に故障し、ベースとなったAIM-9Bよりも信頼性が低いことが判明しました。[22]

後期の設計

SRAAMは、初期の赤外線ミサイルで見つかったほとんどの問題を超短距離兵器で解決するように設計されました。
導入から半世紀以上経った今でも、サイドワインダーの改良版は、ほとんどの西側諸国の空軍で主力赤外線ミサイルであり続けています。
R-73はソ連の設計にとって飛躍的な進歩であり、西側諸国の空軍にとって大きな懸念材料でした

ベトナム戦争で既存のミサイル設計のひどい性能が明らかになると、それらに対処するための多くの取り組みが始まりました。アメリカでは、サイドワインダーのマイナーアップグレードが可能な限り早く行われましたが、より広範囲にパイロットに適切な交戦技術が教えられ、ミサイルの発射音が聞こえたらすぐに発射するのではなく、発射後もミサイルが追跡を続けられる位置に移動するようにしました。この問題は、理想的とは言えない位置で発射された場合でも目標に命中する新しいミサイルの開発にもつながりました。イギリスでは、これがSRAAMプロジェクトにつながりましたが、最終的には絶えず変化する要件の犠牲となりました。[28]アメリカの2つのプログラム、AIM-82とAIM-95アジャイルも同様の運命を辿りました。[29]

1970年代には新しいシーカー設計が登場し始め、より高度なミサイルのシリーズにつながりました。サイドワインダーの大幅なアップグレードが始まり、あらゆる角度から追跡できるほど感度の高いシーカーが搭載され、ミサイルは初めて全方位追跡能力を獲得しましたこれには、混乱を招く発生源（雲に反射する太陽光など）を排除し、目標への誘導を改善する新しいスキャンパターンが組み合わされた。結果として得られたL型のうち少数がフォークランド紛争への参加直前に英国へ急送され、82%の撃墜率を達成した。また、ミスは一般に目標機が射程外を飛行していたことによるものであった。[23]サイドワインダーBとR.550マジックを装備したアルゼンチンの機体は後方からしか射撃できなかったため、英国パイロットは常に真っ直ぐに飛行することでこれを避けた。L型は非常に効果的であったため、機体は急いでフレア対策を追加し、それがフレアをよりよく排除するためのM型のさらなる小規模なアップグレードにつながった。[要出典] L型とM型は冷戦時代の終わりまで西側諸国の空軍のバックボーンであり続けた。

ソ連はR-73でさらに大きな進歩を遂げ、K-13などのミサイルを劇的に改良された設計に置き換えました。このミサイルは、シーカーの視界から完全に外れた標的に発射する能力を導入しました。発射後、ミサイルはランチャーが示した方向に自ら向きを変え、ロックオンを試みます。ヘルメットに取り付けられた照準器と組み合わせることで、発射機が最初に標的に向けられることなく、ミサイルを誘導して照準を定めることができました。これは戦闘において大きな利点をもたらすことが証明され、西側諸国に大きな懸念を引き起こしました。[30]

R-73問題の解決策は当初、 R-73の性能とイメージングシーカーを組み合わせた汎欧州設計のASRAAMとなる予定でした。広範囲にわたる合意の中で、米国は新しい短距離ミサイルにASRAAMを採用することに合意し、欧州は中距離兵器としてAMRAAMを採用することになりました。しかし、加盟国がそれぞれ異なる性能指標をより重要視したため、ASRAAMはすぐに手に負えない遅延に陥りました。米国は最終的にこのプログラムから撤退し、代わりにASRAAM用に開発された新しいシーカーをサイドワインダーの別のバージョンであるAIM-9Xに搭載しました。[要出典]これによりASRAAMの寿命が大幅に延び、現在の航空機が退役するまでにほぼ1世紀にわたって運用されることになります。ASRAAMは最終的に、多くの欧州軍に採用されたミサイルを実現し、同じ技術の多くが中国のPL-10やイスラエルのPython-5にも搭載されています。[要出典]

MANPAD

スティンガーは1986年からアフガニスタンで使用されています。これは米国によって反ソ連軍に提供されました。

オリジナルのサイドワインダーと同じ基本原理に基づき、コンベアは1955年に小型携帯式ミサイル（MANPADS ）の研究を開始しました。これは後にFIM-43レッドアイとして登場します。1961年に試験に入りましたが、予備設計は性能が低いことが判明し、その後、いくつかの主要な改良が行われました。ブロックIIIバージョンが生産されたのは1968年になってからでした。[31]

ソ連は1964年にほぼ同一の兵器、ストレラ1とストレラ2の開発を開始しました。これらの開発ははるかにスムーズに進み、9K32ストレラ2はレッドアイよりも開発期間が短く、1968年に配備されました。[32]元々は競合設計でしたが、9K31ストレラ1は車両への搭載のために大幅に大型化され、ほぼ同時期に配備されました。イギリスは1975年にブローパイプの開発を開始しましたが、シーカーはミサイル自体ではなくランチャーに搭載されていました。シーカーは目標とミサイルの両方を感知し、無線リンクを介してミサイルに修正情報を送信しました。これらの初期の兵器は効果がなく、ブローパイプはほぼすべての戦闘で失敗しましたが、[33]レッドアイはやや良好な成績を収めました。ストレラ2はより優れた性能を発揮し、中東とベトナムで数々の勝利を収めました。[34]

レッドアイの大規模なアップグレードプログラムは、1967年にレッドアイIIとして開始されました。試験は1975年まで開始されず、現在FIM-92スティンガーと改名された最初の納入は1978年に開始されました。1983年にはB型に改良されたロゼットシーカーが追加され、その後もいくつかの追加アップグレードが行われました。ソビエト・アフガニスタン戦争に派遣され、ソビエトヘリコプターに対する成功率は79%であると主張しましたが[35] 、これは議論の余地があります。[36]ソビエトも同様に独自のバージョンを改良し、 1974年に9K34ストレラ3、1983年に大幅に改良されたデュアル周波数の9K38イグラ、2004年にイグラSを導入しました[30]。

シーカーの種類

赤外線センサーに使用される主な材料は、硫化鉛(II)（PbS）、アンチモン化インジウム（InSb）、テルル化水銀カドミウム（HgCdTe）の3つです。古いセンサーはPbSを使用する傾向があり、新しいセンサーはInSbまたはHgCdTeを使用する傾向があります。いずれも冷却すると性能が向上し、感度が向上し、より低温の物体を検出できるようになります。

イメージング赤外線シーカーを搭載したナグ対空ミサイル（クローズアップ）。

初期の赤外線シーカーは、ジェットエンジンの二酸化炭素排出量である4.2マイクロメートルなど、波長の短い赤外線の検出に最も効果的でした。そのため、主にテールチェイスのシナリオで有用でした。テールチェイスでは、排気ガスが視認でき、ミサイルの接近によって排気ガスも航空機に向かって運ばれていました。しかし、戦闘では、パイロットはシーカーが目標を捉えるとすぐに射撃を試み、目標のエンジンがすぐに見えなくなるか、ミサイルの視界から外れてしまうような角度で発射したため、これらのシーカーは非常に効果的ではありませんでした。3～5マイクロメートルの範囲に最も感度の高いこのようなシーカーは、現在ではシングルカラーシーカーと呼ばれています。これにより、排気ガスだけでなく、大気による吸収が少ない8～13マイクロメートルの長波長域にも感度を持つ新しいシーカーが開発されました。これにより、機体自体のような暗い光源を検出できるようになりました。このような設計は「オールアスペクト」ミサイルとして知られています。現代のシーカーは複数の検出器を組み合わせており、 2色システム と呼ばれています

全方位シーカーは、航空機の前方と側面から来る低レベルの信号をロックオンするために必要な高い感度を得るために、冷却を必要とする傾向があります。センサー内部の背景熱、または空力加熱されたセンサーウィンドウは、ターゲットからセンサーに入る微弱な信号を圧倒する可能性があります。（カメラのCCDにも同様の問題があり、高温になると「ノイズ」が大幅に増加します。）AIM-9Mサイドワインダーやスティンガーのような現代の全方位ミサイルは、より長い距離とすべての方位でターゲットをロックオンするために、アルゴンなどの圧縮ガスを使用してセンサーを冷却します。（AIM-9Jや初期型のR-60など、一部のミサイルはペルチェ素子熱電冷却器を使用していました。）

走査パターンと変調

初期のシーカーの検出器はほとんど指向性がなく、おそらく100度以上の非常に広い視野（FOV）からの光を受け取りました。そのFOV内のどこに位置する標的でも同じ出力信号を生成します。シーカーの目的は標的を弾頭の致死半径内に収めることであるため、検出器にはFOVをより狭い角度に狭める何らかのシステムを備える必要があります。これは通常、検出器を何らかの 望遠鏡の焦点に配置することで実現されます。

これは、性能要件が矛盾するという問題につながります。FOVが狭くなると、シーカーの精度が向上し、背景光源が除去されて追跡の改善にも役立ちます。しかし、FOVを制限しすぎると、標的がFOVから外れ、シーカーから見失う可能性があります。致死半径への誘導に効果的であるためには、おそらく1度の追跡角度が理想的ですが、標的を安全に継続的に追跡できるようにするには、10度以上のFOVが望まれます。[要出典]

このような状況から、比較的広い視野角を用いて容易に追跡できるようにし、受信した信号を何らかの方法で処理して誘導精度を高める設計が数多く採用されています。一般的に、シーカーアセンブリ全体は、広い角度でターゲットを追跡できるジンバルシステムに搭載されており、シーカーとミサイル機体間の角度を用いて誘導補正を行います

これにより、検出器が捉える角度である瞬間視野（IFOV）と、シーカーアセンブリ全体の動きを含む全体視野（追尾角またはオフボアサイト能力とも呼ばれる）の概念が生まれます。アセンブリは瞬時に移動できないため、ミサイルの飛行経路を高速で横切る目標はIFOVから見失われる可能性があります。これが、通常1秒あたりの度数で表される 追跡速度の概念を生み出します。

リニアスキャン

初期のドイツ製シーカーの中には、リニアスキャン方式のものがありました。これは、垂直方向と水平方向のスリットを検出器の前で前後に動かす方式で、マドリードの場合は2枚の金属羽根を傾けて信号をある程度遮断する方式でした。閃光を受信した時刻とその時のスキャナーの位置を比較することで、垂直方向と水平方向の角度を決定できます。[19]しかし、これらのシーカーには、視野角（FOV）がスリット（または不透明バー）の物理的なサイズによって決まるという大きな欠点もあります。スリットを小さく設定しすぎると、ターゲットからの画像が小さすぎて有効な信号を生成できず、大きく設定しすぎると不正確になります。このため、リニアスキャナーには固有の精度の限界があります。さらに、二重の往復運動は複雑で機械的に信頼性が低いため、通常は2つの別々の検出器を使用する必要があります。

スピンスキャン

初期のシーカーのほとんどは、いわゆるスピンスキャン、チョッパー、またはレチクルシーカーを使用していました。これらは、赤外線検出器の前に配置された、一連の不透明なセグメントが塗装された透明なプレートで構成されていました。プレートは一定の速度で回転し、これにより標的の画像が定期的に中断、つまりチョップされます。[37]

ハンブルク方式

戦時中に開発されたハンブルク方式は、最も単純で理解しやすいシステムです。チョッパーは片側が黒く塗装され、もう片側は透明のままでした。[38]

この説明では、センサーから見てディスクが時計回りに回転していると仮定します。暗い半分と明るい半分の間の線が水平で、透明な側が上になる回転の点を12時の位置と呼びます。光電セルはディスクの後ろの12時の位置に配置されています。[38]

目標はミサイルの真上に位置しています。ディスクが9時の方向にある時、ヘリの透明部分が12時の方向の目標に垂直に揃うと、センサーは目標を視認し始めます。ヘリが3時の方向に到達するまで、センサーは目標を視認し続けます。[38]

信号発生器は、ディスクの回転速度と同じ周波数の交流波形を生成します。波形は12時の位置に最大正電圧点に達するようにタイミングが調整されています。したがって、ターゲットがセンサーに視認されている間、交流波形は正電圧期間にあり、ゼロから最大値まで変化し、再びゼロに戻ります。[38]

ターゲットが消えると、センサーはAC信号の出力を反転するスイッチを作動させます。例えば、ディスクが3時の位置に到達し、ターゲットが消えると、スイッチが作動します。これは元のAC波形が負電圧部分を開始するのと同じ瞬間なので、スイッチはこれを正電圧に戻します。ディスクが9時の位置に到達すると、セルは再び切り替わり、信号の反転はなくなり、信号は再び正相に戻ります。このセルからの出力は、常に正の半正弦波の連続です。この信号は平滑化されてDC出力を生成し、制御システムに送信されてミサイルに旋回を指示します。[38]

3時の位置に2つ目のセルを配置することでシステムが完成します。この場合、切り替えは9時と3時の位置ではなく、12時と6時の位置で行われます。同じターゲットを考えると、この場合、波形は12時に最大の正点に達したところで負に切り替わります。このプロセスを回転中に繰り返すと、正と負の正弦波の連続が発生します。これを同じ平滑化システムを通過すると、出力はゼロになります。これは、ミサイルが左または右に修正する必要がないことを意味します。例えば、ターゲットが右に移動した場合、平滑化システムからの信号は正に増加し、右への修正が増加することを示します。実際には2つ目の光電セルは必要ありません。代わりに、電気遅延、または最初の光電セルと90度位相がずれた2つ目の基準信号を使用して、1つの光電セルから両方の信号を抽出できます。[38]

このシステムは、時計の文字盤の周りの角度（方位）に敏感な信号を生成しますが、目標とミサイルの中心線との間の角度（角度誤差）には敏感ではありません。これは、目標がミサイルに対して非常にゆっくりと移動し、ミサイルが目標に素早く位置合わせする対艦ミサイルには必要ありませんでした。速度が高く、よりスムーズな制御動作が求められる空対空での使用には適していませんでした。この場合、システムはわずかに変更され、変調ディスクはカーディオイドパターンになり、中心線からの距離に応じて信号を遮断する時間が長くなったり短くなったりしました。他のシステムでは、放射状スリットを備えた2番目の走査ディスクを使用して、同じ結果を2番目の出力回路から生成しました。[39]

後の概念

AEGは戦時中にはるかに高度なシステムを開発し、これが戦後のほとんどの実験の基礎となりました。この場合、ディスクには一連の不透明領域がパターン化されており、多くの場合、ピザのスライスパターンを形成する一連の放射状の縞模様でした。ハンブルクと同様に、ディスクの回転周波数に一致するAC信号が生成されました。しかし、この場合、信号は角度によってオン/オフするのではなく、常に非常に高速にトリガーされます。これにより、一連のパルスが生成され、平滑化されてテスト信号と同じ周波数の2番目のAC信号が生成されますが、その位相はディスクに対するターゲットの実際の位置によって制御されます。2つの信号の位相を比較することで、垂直方向と水平方向の両方の補正を1つの信号から決定できます。サイドワインダー計画の一環として大きな改良が加えられ、出力はパイロットのヘッドセットに送られ、ミサイルトーンと呼ばれる一種のうなり音が生成されます。これは、ターゲットがシーカーに見えることを示します。[40]

初期のシステムでは、この信号は操縦翼面に直接送られ、ミサイルを正しい位置に戻すために急速なフリック動作を引き起こしていました。この制御システムは「バンバン」と呼ばれていました。バンバン制御は空力的に極めて非効率で、特に目標が中心線に近づくと、操縦翼面は実質的に効果なく前後にフリックし続けるため、その効率は著しく低下します。そのため、これらの出力を平滑化するか、角度ずれを測定して操縦翼面に入力することが求められます。これは、同じディスクを使用し、光学系の物理的な配置に若干の工夫を加えることで実現できます。ディスクの外側では放射状のバー間の物理的な距離が大きくなるため、光電セル上の目標の像も大きくなり、出力も大きくなります。ディスクの中心に近づくにつれて信号が徐々に遮断されるように光学系を配置することで、結果として得られる出力信号の振幅は角度ずれに応じて変化します。しかし、ミサイルが目標に近づくにつれて振幅も変化するため、これだけでは完全なシステムではなく、何らかの自動ゲイン制御が求められることがよくあります。[40]

スピンスキャンシステムは、雲や熱い砂漠の砂からの太陽光の反射など、広範囲の光源からの信号を除去することができます。これを行うには、レチクルの半分をストライプではなく50%透過率の色で覆うように改造します。このようなシステムからの出力は、回転の半分は正弦波、残りの半分は一定の信号です。固定出力は、空の全体的な照度によって変化します。雲のように複数のセグメントにまたがる広範囲のターゲットも固定信号を生成し、固定信号に近い信号はすべてフィルタリングされます。[40] [37]

スピンスキャンシステムの重大な問題は、目標が中心付近にあるときに信号がゼロに低下することです。これは、小さな画像であっても、中心で狭くなる複数のセグメントをカバーし、拡張されたソースに十分類似した信号を生成するため、フィルタリングされるためです。そのため、このようなシーカーはフレアに対して非常に敏感になります。フレアは航空機から遠ざかり、航空機がほとんどまたは全く信号を提供していない間、ますます増加する信号を生成します。さらに、ミサイルが目標に近づくにつれて、相対角度の小さな変化でもミサイルをこの中心のヌル領域から移動させ、再び制御入力を引き起こし始めるのに十分です。バンバン制御装置では、このような設計は接近の最後の瞬間に過剰反応し始め、大きなミス距離を引き起こし、より大きな弾頭を必要とする傾向があります。[37]

円錐スキャン

基本的なスピンスキャン方式の大きな改良点として、円錐スキャナ、あるいはコンスキャン方式が挙げられます。この方式では、固定されたレチクルを検出器の前に配置し、両者を小型のカセグレン反射望遠鏡の焦点に合わせます。望遠鏡の副鏡はわずかに軸外に向けられ、回転します。これにより、レチクル自体が回転するのではなく、標的の像がレチクルの周囲を回転することになります。 [41]

シーカーのミラーが5度傾いており、ミサイルがミサイルの前方中央にある目標を追跡しているシステムを例に考えてみましょう。ミラーが回転すると、目標の像が反対方向に反射されるため、この場合、像はレチクルの中心線から5度離れた円を描いて移動します。つまり、中心にある目標であっても、レチクルのマーキングを通過する際に変化する信号を生成します。この同じ瞬間、スピンスキャンシステムは中心のヌル点で一定の出力を生成します。フレアはコンスキャンシーカーによって依然として検出され、混乱を引き起こしますが、フレアがヌル点を離れたときにスピンスキャンの場合のように目標信号を圧倒することはなくなります。[41]

ターゲットの方位の抽出はスピンスキャンシステムと同じ方法で行われ、出力信号を、ミラーを回転させるモーターによって生成される参照信号と比較します。ただし、角度のずれの抽出はやや複雑です。スピンスキャンシステムでは、出力信号の強度を増減させることで、パルス間の時間の長さによって角度が符号化されます。これは、画像が常にレチクルのほぼ中央に位置するコンスキャンシステムでは発生しません。代わりに、1スキャンサイクルの時間にわたってパルスがどのように変化するかによって角度が明らかになります。[42]

中心線から左に10度の位置にある標的を考えてみましょう。鏡を左に向けると、標的は鏡の中心に近いように見えるため、レチクルの中心線から左に5度離れた位置に像を投影します。鏡を真上に向けて回転すると、標的の相対角度は0度になり、像は中心線から下方向に5度の位置に表示されます。右に向けると、左に15度の位置に表示されます。[42]

レチクルの角度ずれは出力パルスの長さを変化させるため、ミキサーに送られるこの信号は周波数変調（FM）され、スピンサイクルに合わせて上下します。この情報は制御システムで抽出され、誘導に使用されます。コンスキャンシステムの主な利点の一つは、FM信号が角度ずれに比例することです。これにより、操縦翼面を滑らかに動かすためのシンプルなソリューションが提供され、結果として空力特性が大幅に向上します。これは精度も大幅に向上します。目標に接近するスピンスキャンミサイルは、目標が中心線から出たり入ったりするたびに継続的に信号を受け、バンバン制御によってミサイルの方向が乱れてしまいます。一方、コンスキャンのFM信号はこの影響を排除し、円周誤差確率（CEP）を1メートル程度まで改善します。[41]

ほとんどのコンスキャンシステムは、ターゲットが移動すると出力信号の変化が最も大きくなるため、ターゲット像をレチクルの端にできるだけ近づけようとします。しかし、ミラーがターゲットから離れた方向に向けられると、ターゲットがレチクルから完全に外れてしまうこともよくあります。これに対処するため、レチクルの中心には50%の透過率パターンが描かれており、像がレチクルの中心を通過すると出力は固定されます。しかし、ミラーが移動するため、この期間は短く、ミラーが再びターゲットに向けられると通常の中断されたスキャンが始まります。シーカーは、像がこの領域にあるかどうかを判断できます。なぜなら、像がシーカーから完全に外れて信号が消える点の真向かいにこの領域が発生するからです。この点を通過していることが分かっているときに信号を調べることで、スピンスキャンシーカーと同一のAM信号が生成されます。したがって、追加の電子機器とタイマーのコストで、コンスキャンシステムはターゲットが軸から外れている場合でも追跡を維持できます。これは、スピンスキャンシステムの視野が限られていることに対するもう1つの大きな利点です。[42]

クロスアレイシーカー

クロスアレイシーカーは、検出器自体の物理的なレイアウトを通じて、コンスキャンシステムのレチクルの動作をシミュレートします。従来の光電セルは通常円形ですが、製造技術、特に固体製造の進歩により、あらゆる形状に製造できるようになりました。クロスアレイシステムでは（通常）、4つの長方形の検出器が十字形（+）に配置されます。スキャンはコンスキャンと同じように実行され、ターゲットの像が各検出器を順番にスキャンします。[43]

視野の中心に位置する標的の場合、像は検出器の周りを一周し、同じ相対点で交差します。これにより、各検出器からの信号は、ある時点で同一のパルスとなります。しかし、標的が中心に位置していない場合、像の軌跡は前述のようにオフセットされます。この場合、離れた検出器間の距離によって信号の再出現間隔が変化し、中心線から遠い像では遅延が長くなり、近い像では遅延が短くなります。ミラーに接続された回路は、コンスキャンの場合と同様に、この推定信号を制御として生成します。検出器信号と制御信号を比較することで、必要な補正が行われます。[43]

この設計の利点は、フレア除去能力が大幅に向上することです。検出器は左右に薄いため、望遠鏡のミラー配置に関係なく、実質的に非常に狭い視野を持ちます。発射時に、ターゲットの位置はシーカーのメモリにエンコードされ、シーカーはその信号が検出器を通過するタイミングを決定します。それ以降は、制御信号によって決定された短い期間外に到着する信号はすべて除去できます。フレアは放出後すぐに空中で停止する傾向があるため、スキャナーのゲートからはすぐに消えます。[43]このようなシステムを偽装する唯一の方法は、フレアを継続的に放出して常に航空機の近くに置くか、曳航式フレアを使用することです。

ロゼットシーカー

ロゼットシーカーは、擬似イメージャーとも呼ばれ、コンスキャンシステムの機械的レイアウトの大部分を使用していますが、より複雑なパターンを作成するために別のミラーまたはプリズムを追加し、ロゼットを描きます。[44]コンスキャンの固定角度と比較して、ロゼットパターンは画像をより広い角度にスキャンします。駆動軸上のセンサーは、サンプルFM信号を生成するミキサーに送られます。この信号をシーカーからの信号と混合することで動きが除去され、コンスキャンからの信号と同一の出力信号が生成されます。ロゼットシーカーの大きな利点は、より広い範囲の空をスキャンするため、ターゲットが視野から外れることがはるかに困難になることです。[43]

ロゼットスキャンの欠点は、非常に複雑な出力を生成することです。シーカーの視野内にある物体は、空をスキャンする際に完全に別々の信号を生成します。システムは、ターゲット、フレア、太陽、地面を異なる時間に捉える可能性があります。この情報を処理してターゲットを抽出するために、個々の信号はコンピュータメモリに送られます。スキャン全体にわたって2D画像が生成されるため、擬似イメージャーと呼ばれています。[43]これによりシステムはより複雑になりますが、結果として得られる画像はより多くの情報を提供します。フレアは小さなサイズで、雲は大きなサイズで認識・排除することができます。[44]

イメージングシステム

現代の熱追尾ミサイルは、赤外線（IIR）イメージングシーカーを使用しています。IR/UVセンサーは焦点面アレイであり、デジタルカメラの電荷結合素子（CCD）のように赤外線で画像を生成できます。これはより多くの信号処理を必要としますが、はるかに正確で、デコイで騙されにくくなります。フレア耐性が向上していることに加えて、新しいシーカーは、熱追尾ミサイルを回避するためのもう1つの一般的なトリックである太陽にロックオンされて騙される可能性も低くなります。高度な画像処理技術を使用することで、標的の形状を使用して最も脆弱な部分を見つけ、ミサイルをそこへ誘導することができます。[45] AIM-9XサイドワインダーやASRAAMなどの西側諸国のすべての短距離空対空ミサイルは、中国のPL-10 SRAAM、台湾のTC-1、イスラエルのPython-5、ロシアのR-74M/M2と同様に、イメージング赤外線シーカーを使用しています。

対抗手段

赤外線シーカーを無効化するには、主にフレアと赤外線ジャマーの2つの方法があります。

フレア

初期のシーカーは目標を画像化せず、視野内にあるものはすべて出力を生成します。目標から放出されたフレアは視野内に2番目の信号を発生させ、2番目の角度出力を生成します。これにより、シーカーがフレアに照準を合わせ始める可能性が高まります。初期のスピンスキャンシーカーに対しては、目標からの信号が中間経路で最小限に抑えられるため、フレアからのかすかな信号でさえも検出され、追跡できるため、これは非常に効果的でした。もちろん、これが起こるとフレアは視界から消え、航空機は再び見えるようになります。しかし、この間に航空機が視野から外れると（これは急速に起こります）、ミサイルは目標を再捕捉できなくなります

フレア問題の解決策の一つは、2周波数シーカーの使用です。初期のシーカーは、機体の非常に高温の部分とジェット機の排気ガスに感度を持つ単一の検出器を使用していたため、追尾攻撃に適していました。ミサイルをあらゆる角度から追跡できるようにするために、他の周波数でもはるかに感度の高い新しい検出器が追加されました。これにより、フレアを区別する方法が生まれました。2つのシーカーは目標機の異なる位置（機体自体と排気ガス）を捉えましたが、フレアは両方の周波数で同じ場所に現れました。これにより、フレアを排除することができました。

デジタル処理を用いたより複雑なシステム、特にクロスアレイシーカーとロゼットシーカーが使用されました。これらは瞬間視野（IFOV）が非常に狭いため、デスクトップスキャナーと同じように処理して画像を生成することができました。スキャンごとにターゲットの位置を記憶することで、ターゲットに対して高速で移動する物体を除去できます。これはシネマティックフィルタリングとして知られています。[46]同じプロセスがイメージングシステムでも使用されており、スキャンではなく直接画像を撮影し、さらに小さなターゲットの角度サイズを直接測定することで除去する機能も備えています。

妨害装置

初期のシーカーシステムは、信号受信のタイミングによって目標までの角度を決定していました。そのため、シーカーのレチクルがセンサーを覆っている場合でも視認できるほど強力な偽信号を発することで妨害を受けやすくなっていました。AN /ALQ-144のような初期の妨害装置は、加熱された炭化ケイ素のブロックを赤外線光源として使用し、その周囲を回転するレンズ群で囲み、空を掃引する一連の点として画像を送信していました。現代のバージョンでは、より一般的には、高速回転する鏡に赤外線レーザーを照射します。ビームがシーカーを照射すると、光の閃光が不規則に現れ、角度を計算するために使用されるタイミングパターンを乱します。成功すると、赤外線妨害装置はミサイルをランダムに飛行させます。[47]

「ホットブリック」赤外線妨害装置用BAEベネチアンブラインドフィルター

赤外線妨害装置は、測定にタイミングに依存しないため、現代の画像シーカーに対しては効果が大幅に低下します。このような場合、妨害装置は目標と同じ場所に追加の信号を送信するため、有害となる可能性があります。一部の最新システムでは、妨害装置を曳航式対抗ポッドに設置し、ミサイルが強い信号に追従することを利用して誘導していますが、現代の画像処理システムではこの効果が薄れる可能性があり、ポッドを元の航空機にできるだけ似せる必要があるため、設計がさらに複雑になります。[47]

より現代的なレーザーベースの技術では、スキャンを廃止し、代わりに別の検出方法を使用してミサイルを識別し、レーザーを直接照射します。これによりシーカーは継続的に盲目にされ、最新の画像シーカーに対しても有効です。これらの指向性赤外線妨害装置（DIRCM）は非常に効果的ですが、非常に高価でもあり、一般的には貨物機やヘリコプターのように機動していない航空機にしか適していません。実装はさらに複雑で、画像装置の前にフィルターを配置して周波数外の信号を除去するため、レーザーをシーカーの周波数に調整するか、一定範囲を掃引する必要があります。ミサイル内のノーズコーンやフィルターを光学的に損傷するのに十分な出力を持つシステムの開発も行われていますが、これは現在の能力を超えています。[47]

追跡

91式地対空ミサイル MANPADには、空中目標を追跡する手段として光学シーカーが搭載されています

ほとんどの赤外線誘導ミサイルは、シーカーをジンバルに搭載しています。これにより、ミサイルが目標に向けられていないときでも、センサーを目標に向けることができます。これは主に2つの理由で重要です。1つは、発射前と発射中は、ミサイルが常に目標に向けられているとは限らないことです。パイロットまたはオペレーターは、レーダー、ヘルメットに取り付けられた照準器、光学照準器、あるいは航空機またはミサイル発射装置の機首を目標に直接向けることによって、シーカーを目標に向けます。シーカーが目標を視認して認識すると、オペレーターにその旨を伝え、オペレーターは通常、シーカーを「アンケージ」（目標を追跡できるようにする）します。この時点以降、航空機または発射台が移動しても、シーカーは目標にロックされたままです。兵器が発射されると、モーターが作動し、フィンが移動方向を制御できるほどの速度に達するまで、シーカーは指向方向を制御できない場合があります。それまでは、ジンバル式シーカーは目標を独立して追跡できる必要があります

最後に、ミサイルが確実に制御され、目標を迎撃しようとしている間も、おそらく目標に直接向けられているわけではないでしょう。目標が発射台に向かって直接移動している、または発射台から離れて移動している場合を除き、目標を迎撃するための最短経路は、ミサイルの視界に対して横方向に移動しているため、目標にまっすぐ向けている経路ではありません。初期の熱追尾ミサイルは、単に目標に向けられて追跡するだけでしたが、これは非効率的でした。新しいミサイルはよりスマートで、ジンバル式シーカーヘッドと比例誘導と呼ばれるものを組み合わせることで、振動を回避し、効率的な迎撃経路を飛行します。

参照

参考文献

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