연구보고서 2007-04 레이더스펙트럼및전파간섭영향연구 연구책임자 연구원 고영철 박성환 문준철 박성원 - 211 -
제출문 본보고서를 레이더스펙트럼및전파간섭영향연구 과제의최종보고서로제출합니다. 2007. 12. 31. 연구책임자 : 고영철 ( 전파연구소 ) 연구원 : 박성환 ( 전파연구소 ) 문준철 ( 전파연구소 ) 박성원 ( 전파연구소 ) - 213 -
요약문 1. 과제명 : 레이더스펙트럼및전파간섭영향연구 2. 연구기간 : 2007. 1. 1. ~ 2007. 12. 31. 3. 연구책임자 : 고영철 4. 계획대진도가. 월별추진내용 세부내용 연구자 월별추진계획 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 비고 가. 레이더현황및이용실태조사 o 레이더의종류, 용도, 분포상황 조사 o 레이더무선국허가및사용승 인, 이용현황, 시장동향조사 나. 레이더전파의특성및기술동 향조사 고영철 o 국내외레이더전파특성관련 박성환 연구자료수집 문준철 o 관련회의및 WP 에참여하여 박성원 연구분야를도출하고측정시설 을이용한특성확인 다. 레이더전파연구기본계획마련 o 산 학 연전문가로구성된연구반 운영 o 기본연구계획 ( 안 ) 심의및마련 분기별수행진도 (%) 20 50 80 100-215 -
나. 세부과제별추진사항 1) 국내레이더현황및이용실태조사 - 전파방송관리통합시스템및공공주파수 DB를통한레이더주파수분포상황조사분석 - 국내레이더제조업체및사용시설방문을통한이용실태조사 2) 레이더전파의특성및기술동향조사 - ITU SG8회의참석을통한연구자료수집및 IEEE 관련논문분석 - 레이더방정식, 추적방식, 송수신기특성등레이더시스템및스펙트럼특성분석 3) 레이더전파연구기본계획 ( 안 ) 마련 - 레이더전문가로연구반을구성, 운영하여체계적인연구방향및목표설정 - 레이더전파특성, 전파전파알고리즘, 레이더전파간섭측정등레이더스펙트럼에대한구체적인년차별기본계획 ( 안 ) 마련 5. 연구결과 o 레이더전파연구기본계획 ( 안 ) 마련 6. 기대효과 o 레이더분야기초기반및산업기술개발에기초자료제공 o 주파수자원보호를위한체계적연구기반조성 7. 기자재사용내역 o 없음 8. 기타사항 o 없음 - 216 -
SUMMARY Radars is used of a widely field in national security, air traffic control, weather observation and warning, scientific applications, mapping, search and rescue operations, and other safety-of-life missions. Radar transmitter and receiver characteristics are engineered to successfully accomplish their missions in these areas. The technical characteristics of radars have typically resulted in exclusive or primary spectrum allocations for radar operations in selected radio bands. In recent years, spectrum crowding has led to reduction of available spectrum for exclusive or primary radar operations, as well as for co-channel or nearly co-channel spectrum sharing between radars and non-radar (communication-type) signals. It has been proposed in various forums, for example, that communication signals can (and should) share spectrum bands with radar systems. Such proposals typically presume that radar receivers will not suffer undue loss of performance due to such sharing as long as the interference levels are relatively low. Some sharing analyses assume that radar receivers are relatively robust against radio frequency (RF) interference effects from communication signals at low levels. This paper investigated a factor of radar spectrum interference and analyzed efficient use of radar spectrum for establishment of radar study strategy. - 217 -
목 차 목차 220 그림목차 221 제 1 장서론 223 제 2 장레이더스페트럼이용현황및특성 224 제 1 절국내주파수이용대역 224 제 2 절레이더주파수이용대역및특성 226 제 3 절레이더종류및특성 228 제 3 장레이더파라미터및방정식 239 제 1 절레이더파라미터 239 제 2 절레이더방정식 241 제 4 장레이더전파간섭기준 249 제 1 절레이더전파간섭형태 249 제 2 절레이더파라미터와전파간섭보호기준관계분석 251 제 3 절 ITU 권고에의한선박무선항행탐색의간섭기준 256 제 5 장결론 258 참고문헌 259-219 -
표목차 표 2-1 국내주요주파수대역별분배현황 225 표 2-2 국내레이더주파수대역 226 표 3-1 레이더파라미터 240 표 4-1 I/N비에따른최대탐지거리손실 253 표 4-2 I/N비에따른 RCS 변화량 255 표 4-3 I/N비에따른필요송신전력량 256 표 4-4 주파수대역별전파간섭보호기준관련 ITU-R 권고문 257-220 -
그림목차 그림 2-1 국내주파수분포별이용현황 224 그림 2-2 공항관제레이더 229 그림 2-3 기상레이더 231 그림 2-4 선박레이더 231 그림 2-5 항공기탑재레이더 (F-16 탑재 ) 232 그림 2-6 대공탐색레이더 235 그림 2-7 사격통제레이더 236 그림 2-8 추적레이더 237 그림 2-9 영상레이더 238 그림 4-1 I/N에따른최대탐지거리손실변화 253 그림 4-2 I/N비에따른 RCS 의변화 254 그림 4-3 I/N비에따른송신전력의변화 255-221 -
제 1 장서 론 레이더는 400MHz 에서 36GHz 대역까지매우광범위한주파수대역을사용되고있으며항공, 우주, 국방, 교통, 민수, 과학기술등활용분야가다양하다. 민간용으로는공항관제레이더, 선박감시레이더, 선박항행용레이더등이있으며, 군용으로는지상감시레이더, 해안감시레이더, 대공감시및추적레이더등에이용되고있다. 최근군에서는현대전및정보전에의한무기체계가변화에따라주파수사용이증가하고있으며, 특히레이더는군은핵심전략증강무기로레이더를개발 사용이확대되면서주파수수요가증가하고있다. 또한민간에서는데이터통신, 이동통신, 위성통신등의급진적인발전에따른이용증가로레이더주파수대역인마이크로파주파수대역이과밀화되고있다. 그러나레이더주파수는송신출력이일반적인통신기기에비해상대적으로매우크고넒은주파수대역폭을사용하기때문에동일또는인접대역의타통신기기및레이더상호간에간섭을야기할수있다. 레이더주파수대역은국제적으로 ITU-R 에서특정대역과용도에따라대역폭을정하여사용하도록규정되어있다. 국내주파수대역은민간및군용으로약 7GHz 대역을다양한용도로전대역에걸쳐광범위하게사용하고있다. 그러나현재국내에서는레이더의주파수운용에따른상호간섭에대한영향을체계적인연구가이루어지지않은상태이다. 따라서본연구를통해레이더스펙트럼전파간섭및주파수이용을위한연차별기본계획안을마련하고자한다. - 223 -
제 2 장레이더스페트럼이용현황및특성 제 1 절국내주파수이용대역국내에서이용되고있는주파수대는전체 3,000GHz 이하의전파스펙트럼중에서주로 40GHz 이하의주파수대역이다. 이들은주파수대역의특성에따라장거리통신, 근거리통신, 가시거리통신등에사용되고있고다시용도에따라고정, 해상, 이동, 방송, 및위성업무등의업무영역에서이용되고있다. 전세계적으로전파스펙트럼의이용은전파관련기술개발이뒤받침되어야가능하기때문에기술개발이용이한낮은주파수대역에서먼저사용하였고, 높은주파수대역을이용하는무선장비의개발과함께점차로높은주파수대역으로이전하여사용하고있다. 우리나라도마찬가지로주파수대역이낮은대역에서높은대역으로자연스럽게옮겨가고있다. 또한정보의멀티미디어화와광대역화로인하여사용주파수대역은자연스럽게넓은대역폭확보가용이한높은대역으로점차사용범위가넓혀져가고있다. 현재우리나라는 9KHz 부터 275GHz 대역까지분배를하였다. 9KHz 이하의주파수대역과 275GHz 이상의주파수대역은분배하지않은상태이다. 분배되지않은대역은아직까지현실적으로사용하기에는주파수의성질과특성이부적절하다고할수있다. 분배가능한전체주파수를효과적으로관리사용하기위해전체대역을총 556 개의세부대역으로분배하였다. 이중 328개대역은용도를지정하였으며, 228개대역은아직용도가지정되어있지않은상태이다. 그림 2-1 은국내주파수분포별이용현황이고표2-1 은국내주요주파수대역별분배현황을나타낸다. 그림 2-1 국내주파수분포별이용현황 - 224 -
표 2-1 국내주요주파수대역별분배현황 주파수분배용도 9KHz ~39KHz 3,900KHz ~6,501KHz 6,501KHz ~12,420KHz 12,420KHz ~17,970KHz 17900KHz ~25010KHz 25.17125MHz ~146MHz 148MHz ~1300MHz 1300MHz ~4200MHz 4.2GHz ~10.68GHz 10.68GHz ~24.45GHz 24.45GHz ~58.2GHz 58.2GHz ~173.3GHz 173.3GHz ~275GHz 무선항행, 고정, 해상이동, 항공무선항행, 해상무선항행, 표준주파수및시보신호, 우주연구 항공이동 (OR), 고정, 육상이동, 방송, 해상이동 해상이동, 아마추어, 아마추어위성, 표준주파수및시보신호 해상이동, 아마추어, 방송, 고정, 이동 아마추어, 해상이동, 방송, 고정, 이동 ( 항공이동제외 ) 해상이동, 고정, 이동 ( 항공이동제외 ), 방송, 이동위성우주운용 ( 우주대지구 ) 고정, 이동, 무선표정, 이동위성 ( 지구대우주 ), 방송 이동위성, 지구탐사위성, 고정, 이동 무선표정, 우주연구, 고정, 이동, 항공무선항행 고정, 이동, 무선표정, 지구탐사, 위성고정위성 ( 우주대지구 ) 고정, 위성상호간, 이동, 지구탐사위성 ( 수동 ), 전파천문 아마추어, 아마추어위성, 전파천문, 무선표정 아마추어, 아마추어위성, 전파천문지구탐사위성, 위성간 쌍곡선항행방식 ( 데카 ) 해안국용 ( 무선전신 ), 항공업무, 무선표지및위치측정용 GPS 선박국용, 해안국용, 수색구조용단파방송용 선박국용, 해안국용, 아마추어국지정주파수 선박국용, 해안국용, 아마추어국지정주파수, 단파방송용, 무선조정장치 아마추어국지정주파수, 선박국용, 단파방송용, 선박상호간의무선전신 선박국용, 해안국용, 모형자동차, 실험국용, 생활무선국, TV 방송용, 위성이동통신서비스 (GMPCS) 무선조정, 위성이동통신 (GMPCS), TV 방송용또는디지털라디오방송용, 특정소출력, 위치기반서비스 (LBS), 이동전화, 주파수공용통신 (TRS), RFID/USN 인마세트지구국, 도서통신개인휴대통신 (PCS), IMT-2000, 휴대인터넷, M/W, 방송중계 통신사업자 M/W, 기상레이더용, 방송중계, 특정소출력무선 (LAN), 항행원조장치용 무궁화위성서비스, 통신사업자 M/W, 거리측정용, 전기통신업무의비상 재해복구, 가입자회선 가입자회선, 가입자회선 CATV, 실험국, 국간중계 아마추어국지정주파수, 차량레이더 아마추어국지정주파수 - 225 -
제 2 절레이더주파수이용대역및특성전체주파수분배대역에서레이더장비가속하는무선표정대역은 MF 대역에서 Ka 대역까지넓게분포되어있으며, 전체대역폭대비약 20% 를차지하고있으며국제전파규칙 [RR] 5조에규정된주요레이더용주파수대역은표 2-1 과같다. 표 2-2 국내레이더주파수대역 대역 UHF(300 ~ 1000MHz) L밴드 (1 2GHz) S밴드 (2 4GHz) C밴드 (4 8GHz) X밴드 (8 12GHz) Ku밴드 (12 18GHz) K밴드 (18 27GHz) Ka밴드 (27 40GHz) 주파수대역 420~450MHz, 890~942MHz 1.215 1.4GHz 2.4~2.5GHz, 2.7 3.5GHz 5250 5925MHz 8.5 10.55GHz, 10.6~10.68GHz 13.4 14GHz, 15.7 17.7GHz 24.05 24.25GHz 33.4 36GHz 1. UHF 대역 UHF 대역레이더는 420 ~ 450MHz, 890~942MHz 대역에서기상, 항공, 선박레이더가이용되고있다. 지상레이더는원거리표적탐지, 표적구별, 표적추적용으로사용되고있으며, 추적레이더로사용될때는 5MW 이상의고출력송신기, 고이득안테나를사용한다. 항공레이더로사용될때감시시스템으로원거리표적탐지와표적포착및추적항공교통상황을조정하며, 항공기상승 / 하강시동작가능, 최대고도약9km 까지가능하다. 선박레이더는연해주변이나군항에서감시용으로사용되고있으며 Azimuth angle 360 로동작된다. 2. L 밴드대역 L 밴드에서는주파수사용대역 1.215 1.4GHz 에서항공교통관제와같은지상의장거리대공감시레이더, 항공용거리측정장비 (DME), 2차감시레이더 (SSR), 장거리레이더 (ARSR) 의무선항행위성업무 (RNSS) 용도로사용된다. 대기권밖의원거리탐지에적합군용 3D 레이더로이용가능하며, 레이더특성은 MTI(MovingTarget Indication) 성능이좋고좁은빔폭과높은이득으로외부잡음에대한영향이매우적다. 또한전파간섭영향을줄이기 - 226 -
위해채널가변방식을사용하며, 표적의반사신호강화를위해높은 Duty Cycle 을가진다중수 신채널신호처리방식을사용한다. 3. S 밴드대역 S밴드에서사용하는레이더는 2700 ~ 3400MHz, 2700 ~ 3400MHz 대역을사용한다. 이대역에서사용되는레이더는장거리대공감시레이더, 공항감시레이더 (ASR) 와같은중거리대공감시레이더, AWACS 와같은원거리용항공탑재펄스도플러레이더, 군용 3D레이더, 고도측정레이더, 기상레이더등이이용되고있다. 레이더특성으로는고주파수에서얻을수있는지향빔폭안테나와정밀한각정확도와해상도, 좁은빔폭의사용으로주빔에대한재밍영향감소하는특징을가지고있다. 또한고주파사용에따라 MTI 레이더에서빈번한 blind speed 발생하며, 비나구름으로부터반사되는신호에의해탐지거리가현저하게감소되는특성이있다. 4. C 밴드대역 C밴드는 5250 ~ 5850MHz 대역을사용하고있으며주로중거리기상레이더, 다기능위상배열 (Phased Array) 대공방어레이더, 페트리어트미사일시스템의탐지추적레이더, 함상용 MW-08 레이더등정확한미사일추적과원거리에서정밀한값을요구하는레이더가이용되고있다. 이대역의레이더특성은정밀한정보를획득을위해주로펜슬빔사용한다. 5. X 밴드대역 X밴드는 8.5 ~ 10.4 GHz 8.5 ~ 10.4 GHz 대역을이용하고있으며, 군용무기통제나민간용으로많이이용되고있다. 레이더종류는선박항행용, 도플러항법과경찰용속도측정기, 고해상도레이더 (SARSAR) 등이다. 레이더특성은통상소형레이더이므로이동성이나경량성이요구되는분야에적절하며, 짧은펄스전송이가능한넓은대역폭, 소형안테나의좁은빔폭송신출력이낮고강우에의한감쇠현상이발생한다. 6. Ku 밴드대역 Ku 밴드는 13.75 ~ 14.0 GHz, 15.7 ~ 17.3GHz 대역에서이용되고있으며응용분야는 무선표정레이더, 무선항행레이더, 항공기탐지, mapping, 항행, 기상관측등에주로사용된다. - 227 -
레이더특징으로는주파수가변송신기를사용하여주파수조정이가능하며, 수평 / 수직 / 원 형편파를사용한다. 7. Ka 밴드대역 Ka밴드는 31.8~33.4GHz/33.4~36.0GHz 대역에서이용되고있으며, 31.8~33.4GHz 대역에서는주로 Mapping, 기상관측, 비행기안전항행유도장치가이용되며, 최대고도 3,000ft 에서 6시간이상동작하는항공무선항행레이더탑재시한정된지역에많은비행기운용가능하다. 33.4 ~ 34.0GHz 대역에서는주로무선표정레이더가사용되고있으며, M/W 대역의대기흡수특성을고려하여무선표정레이더의측정정확도를높이기위해사용되며표적식별, 항행등에이용된다. 제 3 절레이더종류및특성레이더는자유공간에전파를발사하여목표물로부터반사 / 반응되어오는신호를감지하여실시간으로표적의정보를추출하는장치로서, 전천후성능발휘가가능한특징을가지고있다. 레이더는용도와적용분야가다양하며비록동일한원리가적용된다하더라도주된기술, 사용목적, 운용형태등에따라기술상의차이가있어다양하게분류된다. 주된기술적분류는탐색, 추적, 다기능, 영상레이더그리고피아식별장비등으로분류되며, 설치장소 / 용도위주의무기체계적으로분류시지상및차량탑재대공작전 / 전장감시용, 함정탑재대공 / 대함작전및항해용, 항공기탑재조기경보 / 전장감시및정찰용, 전술기탑재사격통제용, 위성탑재전장감시 / 정찰용등으로분류하기도한다. 다음은레이더의종류별특성을알아보고자한다. 1. 항공관제레이더현재사용되고있는전세계레이더중거의대부분이대공레이더이다. 그중에서도항공관제용레이더는우리의사회생활과밀접한관계를가지고있다고할수있다. 항공기운항에있어서시계비행을할수있는날씨를제외하고, 항공교통관제는레이더없이는안정성을기할수없다. 항공로에있는항공기는항공로감시레이더 (ARSR : Air Route Surveillance Radar) 를사용하여레이더에서거리와방위를알수있다. ARSR 의 - 228 -
거리는레이더를중심으로반경약 200 해리까지의공역과고도는약 70,000ft까지의항공기를감시및관제한다. 항공기가공항에서약 60해리의거리까지접근하게되면공항감시레이더 (ASR : Airport Surveillance Radar) 의관제권에들어간다. 이때 ASR 도 ARSR 과같이 PPI 스코프를사용한레이더이며항공기의거리와방위를알수있다. 송신주파수는 2.8GHz 대이고, 송신첨두출력은 500kw이며또이동표적지시기를갖춘이중채널화된고성능레이더이다. 그림 2-2 는공항관제레이더의모습이다. ASR 의관제권에들어온항공기는 ASR 의 PPI 스코프를보면서관제원이무선으로진로방향을지시하여활주로연장선상약 10해리이내까지유도한다. 여기서항공기의관제는정밀진입레이더 (PAR : Precision Approach Radar) 로전환된다. 이 PAR 는방위주사와고저주사에대응한 2대의안테나를사용하고있으며, 방위안테나로는방위와거리를측정하고, 고저안테나로는항공기를본양각과거리를결정하고또항공기의공간위치도결정할수있다. 여기서예정된강하로를따라레이더의지시기에나타난표적을보면서항공기를활주로의착지점근처까지유도한다. PAR 의송신주파수는 9GHz 이고, 송신첨두출력은약 30Kw 정도이다. 그림 2-2 공항관제레이더 근래에와서는공항을진입하는항공기의경로에대하여이 PAR 대신에전자파에의한 강하로를형성해서이강하로에따라항공기를유도하는계기착륙시스템 (ILS : Instrument Landing System) 이주류를이루고있다. 이때도 ASR 은공항에서발진하는항공기의주변을 - 229 -
통과하는항공기의교통통제에사용하고있다. ASR 과 PAR 에의한착륙유도를 GCA(Ground Controlled Approach) 라하며군용의경우에는두레이더를하나로묶은경우도있다. 또 ASR 과 OAR 를각각분리해서항공기의발착관제를하는것을 RAPCON(Radar Approach Control) 이라고한다. 요즘에는항공기를이용하는사람들이점점많아짐에따라공항의대규모화, 항공기의발착회수증대, 공항활주로부근에서교통의복잡화등으로인하여관제원의운용에의한항공관제는점점곤란하여지고있으며, 더욱이야간이나악천후에의한시계불량에서도공항면만을전담하여탐색하는레이더가절대필요하게되었다. 이와같은목적에사용되는레이더를공항면탐색장치 (ASDE : Airport Surface Detection Equipment) 라한다. 이레이더는공항면만을탐색하기때문에단거리, 고분해능지시기등을필요로하고있다. 최근에 ASDE 는관측을하는데있어서고빈도화및관제탑내의주광하에서도관측이가능하게하기위하여안테나를수백 rpm 으로고속회전하고, 화면은잔상이아닌휘선으로고휘도의연속지시기를사용하고있다. 고휘도표시에는이외에도축적관, 주사변환관을사용하여 TV 주사로변환하는주사변환장치를사용한다. 대체로 ASDE 의주파수와안테나회전수는 14GHz 150rpm, 22GHz 250rpm, 35GHz 750rpm 등으로고속회전하는예가많다. 2. 기상레이더기상레이더는공중에분포되어있는구름과비의모양을관측하여비가내리는지역에대한형태, 비의이동상황, 비의강도등의정보를얻고또태풍의위치및진행방향, 전선의형성, 번개의발생과진행상황, 강우강도등을관측하여기상에대한정보를레이더로예측한다. 기상레이더에사용되는파장은 3.2cm 대, 5.7cm 대및 10cm 대이다. 이중에서빗방울의반사파가강하고비의층을통해서어느정도먼곳에있는비구름을관측하기위해서는대체로 5cm 대의파장이많이사용된다. 그러나먼거리에서태풍과강우를관측하고예보하기위해서는전송로의감쇠가적은 10cm 대 (30MHz) 의파가사용된다. 한편항공기가비행할때번개구름이나비구름으로들어가면위험하게되고또항공기가점점대형화, 장거리화되어감에따라서비행중에시시각각으로변화되는기상상황을정확히파악하여운항의안전을기할수있는기상레이더겸항법레이더를항공기에탑재하여사용하는경우도있다. 그림 2-3 는국내에서사용되고있는기상레이더이다. - 230 -
그림 2-3 기상레이더 3. 선박레이더선박이항행할때보조수단으로사용되던선박용레이더는현재일반화되고모든선박에설치가의무화되어필수항행장비로되었다. 선박용레이더는연안의지형관측, 배와의충돌방지, 항로표식등항법상의자선위치측정에이용되고경우에따라서는기상상황도예측할수있는비교적고정밀도이고높은분해능의레이더가사용된다. 그림 2-4 는선박레이더의모습이다. 그림 2-4 선박레이더 선박용레이더에사용되는파장은 mm 파대, 3cm 대, 5cm 대, 10cm 대가많다. 그중에서 - 231 -
mm 파주파수대역의레이더는소형의안테나로예리한지향성이얻어지기때문에높은분해능을요하는좁은수로를항해하는선박에사용된다. 또 3cm 대역레이더는비교적소형인안테나를사용하므로소형선박에주로많이사용된다. 10cm 대역레이더는안테나가대형으로되지만, 비혹은눈에의한전파전파손실이적으며또해면반사잡음과비혹은눈의에코가적고, 악천후일때도표적의탐색능력이뛰어나기때문에대양을항행하는대형선박에많이사용되고있다. 그리고 5cm 대역레이더는 3cm 대역과 10cm 대역의중간성능을갖는다. 선박용레이더는다른레이더와는달리풍파가강하고시계가나쁠때도사용되기때문에안테나의수평지향성이예리하고수직지향성은선박의롤링 (rolling) 및피칭 (pitching) 을하여도표적을놓치지않도록설계되어있다. 4. 항공기탑재레이더 그림 2-5 항공기탑재레이더 (F-16 탑재 ) 항공기의레이더설치는안전비행을위한필수조건으로민간항공기로부터군용기에이르기까지사용목적에따라레이더를탑재하고있다. 항공기탑재레이더에는용적, 중량, 전원, 설치장소등많은제약조건이가해지며또수행기능도목적에따라매우다양하다. 민간용으로는대부분안전비행을위한운항용레이더를비롯하여, 주위환경감시용레이더, 지형 mapping 작성을위한항법레이더, 주위탐색및구조용레이더등이주종을이루며대부분목적에부합되는레이더를각각별도로탑재하고있다. 그러나군용항공기탑재용레이더는안전항행은물론이고지상및공중위협표적의공대공또는공대지의전술모드중에탐색, 추적, 요격, 군사목표물에대한표적표시를비롯해서클러터억제, ECCM, 조기 - 232 -
경보, mapping 화상처리등의기능을수행해야한다. 따라서다기능다목적고정도의기술이요구된다. 군용항공기에탑재된레이더의대표적인것으로 F-16 전폭기용레이더 AN/APG-66 및 68이있고, F-15 용레이더AN/APG-63, F-20 용레이더로서 AN/APG-67, F-111용레이더로서 AN/APQ-146,B1B용레이더로서 AN/APQ-164 등을들수있다. 항공기탑재레이더는부품의소형 경량화는물론신뢰도가매우높아야한다는특성외에도측정기준점이매우빠른속도로변화되고있기때문에측정기준점의보상 ( 속도보상및탐색, 추적, 요격을위한좌표보상 ) 이꼭수행되어야한다. 또다양한기능을빠른시간내에동시에수행할수있는전자주사방식을채용한위상배열안테나, 전투기조종과주변상황을한눈으로알아볼수있는 HUP(Head-UP Display), AMTI(Airborne Moving Target Indicator), 고속의실시간신호처리및자동화가요구된다. 그림 2-5 는 F-16 탑재된레이더의모습이다. 5. 탐색레이더탐색레이더는대상표적에따라대공탐색레이더, 해면탐색레이더그리고전장감시 / 통레이더등으로분류되며, 탐색거리에따라단거리, 중 / 장거리및초장거리레이더로구분되며, 탐색된표적의표적정보추출능력에따라 2차원 ( 방위, 거리 ) 또는 3차원 ( 방위, 거리, 고도 ) 레이더로구분된다. 가. 대공탐색레이더지상설치장거리용대공탐색레이더는운용에따른제한조건이가장적은레이더로서주로높은고지에설치하여장거리고공표적 ( 항공기, 미사일등 ) 을탐색, 표적제원을추출하여우군지휘 / 통제체계에전파하는조기경보 / 공중전장감시및통제용으로서무중단운용되는주요센서이다. 중 / 고고도에대한탐색성능이우수한반면저고도표적에대해서는지형차폐의영향으로취약하다. 지형차폐효과를이용한침투를최대한방지하기위해서는항공기에탑재하여고고도에서하방감시형태로운용하므로써저고도비행표적및순항미사일등을장거리에서탐색할수있다. 항공기탑재운용시항공기운항에따른제한, 탑재여건에따른제한, 항공기구조적제한등지상설치의경우에비하여여러가지제약조건이추가되며막대한운용 / 유지비용또한문제점으로대두된다. 장거리레이더는적에게노출되어있어대전자전기능의강화와대방사미사일 (ARM) 의공격대비도중요하다. 국지대공작전및장거리레이더의탐색공백을메우기위하여중거리또는단거리레이더를운용한다. 전술용으로 - 233 -
다양하게적용되는단거리레이더의경우이동을용이하게하기위하여소형 / 경량화한차량 탑재형이많이운용된다. 나. 해면탐색레이더선박또는지상에설치되어선박항행, 해역감시그리고대함작전을수행하는데필요한정보를제공하기위하여운용되는것으로서, 해면상태에의하여발생되는클러터를제거하고해상고정물체와선박, 잠수함의잠망경및환기구등을탐색한다. 레이더의시계는해면과선박의높이에따라제한되며해면클러터의제거를위한특수필터와항해 / 감시를보조하기위한표적추적및위치예측소프트웨어등을내장하고있다. 다. 전장감시및통제레이더전장감시및통제레이더는지상인원, 차량및헬기탐색용과박격포탄 / 포탄또는로켓탄발사위치탐색용등이있다 ( 전술용저고도탐색레이더는사통컴퓨터와연동시통제레이더로분류될수있으나여기서는탐색레이더로분류 ), 지상감시의범위는적이소유한전차나대전차미사일유도무기체계보다약 5km 이상우세하여야하며, 아군포대의작전범위내로서최대 30km 내지 40km 범위내에있는것이통상적이며, 표적을획득, 지정하기위한수단으로사용된다. 요구되는성능수준은표적의정확한인식및확인이가능한분해능과감지능력, 포병의사격제원으로서사용가능한정확도, 운용시주변환경에서발생되는전자파영향을받지않고자동대처운용되는기능등이필수적으로요구되며, 전장의이동상황에따라적극대처할수있도록휴대용내지는소형차량탑재형이되어야한다. 라. 3차원레이더하나의레이더에서표적에대한공간위치좌표의정보를연속적으로계측하는레이더로서표적의거리, 방위각, 고도를측정하는레이더를일반적으로 3차원레이더라한다. 3차원레이더방식에는펜슬빔 (Pencil Beam) 을주사하는빔주사 3차원레이더방식과수직탐색영역을포함하는빔을고정한대로안테나의회전에의하여방위주사하는빔비주사 3차원레이더방식이있다. 펜슬빔을주사하는빔주사 3차원레이더방식은방위각과앙각을빔의수신신호진폭혹은위상모노펄스처리하여측정하고, 빔비주사 3차원레이더는앙각을수직면내에중첩시킨다중빔중에표적을포착한인접빔에대하여진폭비교모노펄스처리하여측정한다. 빔주사방식의실예로는 AN/TPS-59 레이더가있다. - 234 -
그림 2-6 는대공탐색레이더의모습이다. 그림 2-6 대공탐색레이더 6. 사격통제레이더사격통제레이더는사격통제장치 (FCS : Fire Control System) 의일환으로레이더와컴퓨터를이용하여표적의현재위치와그운동을포착하고, 자기포화의특성에대응한표적의진행방향에대한미래위치를산출해서표적을요격하기위한사격통제장치로서 FCS 레이더라한다. FCS 의주요격표적은항공기, 로켓, 전차와함정등레이더가포착할수있는대상물이며, 설치장소는주로지상기동차량, 항공기, 함정등에탑재할수있다. FCS 에사용되는레이더는처음에표적의탐색과포착그리고피아식별과정을거쳐거리와방위를계산한다. 그리고탐색레이더의정보를곧추적레이더로보내어표적을추적하고표적의앙각, 방위각의상대운동과상대직선거리를계산함으로서표적의운동방향을정확하게계측하여미래위치를산출한다. 요격과정은모두컴퓨터와연계되어고정밀도의자동화시스템으로이루어지고있다. 지상에서사격통제를할때주대상물은항공기이다. 항공기는표적의이동속도가빠르기때문에사격에필요한지원을신속히처리할필요가있다. 예를들어단거리지대공사격통제인경우 10km 이내에서요격을가할때는목표물은적어도 20km 전방에서발견되어야하고또항공기가초음속으로진입할때는표적의추적, 요격계산그리고요격제어, 발사지령, 명중, 격추까지 30초이내에수행하여야한다. 또한요격시간을짧게하기위하여각기능의자동화와고정밀도가필요하며사격통제장치는고도의기술을구사 - 235 -
하는최첨단의무기체계의하나로발전되고있다. 또한 FCS 는아니지만박격포및로킷과같은포탄의탄도를추적하여발사지점을정확하게알아내는레이더가있다. 이것은레이더로탄도를추적하여탄도상의두점이상의좌표를예측하여컴퓨터에의해서발사지점을역산함으로서적의포대를역공격하기위하여개발된레이더이다. 이레이더는위상배열안테나를사용하여수십개의포탄궤적을동시에추적할수있으며 AN/TPQ-36 의경우는39 개의포탄을동시에추적할수있다. 그림 2-7 는사격통제레이더의모습이다. 그림 2-7 사격통제레이더 7. 추적레이더측정할표적을향하여항상안테나가자동적으로표적을추적케하여표적의거리, 방위각, 앙각을연속적으로계측하는레이더를추적레이더 (tracking radar) 라한다. 안테나를표적방향으로지향시키는각도추적과거리를계측하는거리추적의두요소가있으며, 모두영점검출에의한 servo loop를구성하여고정도의계측을수행한다. 각도추적방식을크게분류하면순차로빙 (sequential lobing) 방식과동시로빙 (simultaneous lobing) 방식이있다. 순차로빙방식에서는빔을안테나축의주위에전환 (lobe switch) 또는회전시켜 (conical scanning) 수신파의변조성분을없애도록안테나를구동하여빔을정확하게표적방향으로지향시킨다. 순차로빙방식은표적을향한안테나축으로부터의편위에따라서극성이전환되는신호를사용하는것으로일반적으로모노펄스방식이라고도한다. 개구면의분할또는고차모드의사용에의해서진폭과위상과의전환으로응용하는진폭모노펄스와분할된개구사이의편위에따라생기는위상차를 - 236 -
응용한위상모노펄스가있다. 순차로빙방식은수신채널이 1개로도가능하지만수신신호의진폭변동에의한오차를일으키기쉽고또동시로빙방식은그영향을받지않으나구성이복잡하게되는결점이있다. 거리추적방식에서는수신펄스폭내에서전후에시간적분값이동일하게되는점에항상레인지게이트 (range gate) 등을추종시키도록 servo loop를구성하여거리를계측한다. 수신펄스를 2개의게이트에삽입하는얼리레이트게이트 (early late gate) 방식과수신펄스에지연과위상반전을주어양극성비디오로서 1개의게이트로처리하는바이폴라비디오 (bipolar video) 방식이있다. 추적용레이더의용도는처음에는주로군사용에서사격통제, 유도탄추적등이었으나최근에는인공위성발사용로켓의추적및유도용으로사용되고있으며또위성통신용의지구국, 위성의발사와궤도수정및유지용의관제등에도광범위하게응용되고있다. 그림 2-8 은추적레이더의모습이다. 그림 2-8 추적레이더 8. 영상레이더영상레이더는지형영상을얻는합성방법에따라실개구면레이더 (Real Aperture Radar: RAR) 와합성개구면레이더 (Synthetic Aperture Radar: SAR) 로나눌수있다. 실개구면레이더는안테나위치의변화에따른위상보상없이합성하므로서거리에따라횡거리분해능이다르며대부분의항공기탑재측면관측레이더 (SideLooking Airborne Radar: SLAR) 가이에속하며, 합성개구면레이더는위상보상에의한초점을형성하게하므로서거리에따른횡거리분해능의변화가없는것이특징이며현대식영상레이더는대부분 - 237 -
이에속한다. 항공기탑재형은필요시수시로임의지역영상관측이가능한적시성, 저고도비행으로고해상도의영상획득, 획득데이터회수용이의장점이있는반면저고도운항으로원거리의표적관측에다소제약, 지구대기에의한항공기의자세, 고도및속도가불안정에대한보정대책추가요구등의단점도있다. 위성탑재형의특징은대기권밖의비행으로자세가안정되고, 관측상의제약이없으나궤도비행주기에의하여원하는시간에관측하지못하고원거리관측으로인한지구곡면효과보상필요등과같은단점이있다. 일반적으로레이더의거리해상도는송신펄스또는압축펄스의폭에의해서결정되고, 방위해상도는안테나빔폭에의해서결정된다. 안테나빔폭을충분히적게하기위해서는상대적으로큰안테나가필요하나현실적으로불가능하므로실제안테나를배열안테나의한개의방사소자로취급하여탑재체의이동으로대형합성배열안테나를이론적으로합성, 완성함으로서방위해상도를향상시키는방법이합성개구면레이더의기본원리이다. 합성개구면을형성할수있는것은측정기준인안테나의움직임에따라발생되는지상물체의도플러주파수의상대적변화특성을이용하는것으로서, 신호처리과정에서측정대상물체와안테나간의거리차에대한위상보상방법을쓰거나, 위상오차허용범위내에있는신호를단순히합산함으로서이루어진다. 요구되는해상도는식별목표에따라다르며한번의비행으로다수의목표에대한정찰을수행하는것이일반적이므로레이더는다양한모드로운용될수있도록설계된다. 현재일반적으로운용되고있는모드는스트립, 스포트라이트, 스캔등이있다. 그림 2-9 는영상레이더의모습이다. 그림 2-9 영상레이더 - 238 -
제 3 장레이더파라미터및방정식 제 1 절레이더파라미터레이더는신호파형에따라크게 CW 레이더와펄스레이더로분류되며레이더시스템성능은크게안테나, 송수신기, 신호처리기의파라미터에의해결정된다. 레이더파라미터는레이더형식, 송신주파수, 탐색거리, PRF, 안테나빔폭, 이득, 안테나, 편파특성, 안테나부엽레벨, 안테나탐색속도, 송신기형식, 송신파워, 펄스폭, 송신대역폭, 수신기중간주파수, 중간주파수대역폭, 수신기잡음지수등으로기술되며, 신호처리기법으로신호처리형식, MTI/MTD 필터특성, CFAR, 오경보율, 탐색확률, 신호처리이득, 간섭잡음억제성능, 펄스압축, ECCM 기술등으로정립된다. 레이더는전파형식에따라 CW(Continuous Wave) 레이더와펄스 (Pulse) 레이더로구분된다. CW 레이더는송수신파형은연속파형이고송수신주파수차이로속도성분을추출한다. FM CW 변조파로거리를측정하며소형, 경량, 저가이다. 하지만송수신안테나가분리되어있고거리측정시에별도의변조가필요하다는단점이있다. 그리고펄스레이더는송수신파형으로주파수및위상변조된펄스가사용되고펄스의송수신왕복시간으로거리를측정하며, 도플러신호변이를이용하여속도를추정한다. 최신의펄스도플러기술로속도 / 거리동시분해가가능해졌으며송수신시동일안테나를사용하므로송수신이간단하다. 펄스도플러레이더는코히어런트방식의레이더소스를이용하므로위상의변화를측정하여속도를추정하고, 일정하지않은간섭신호제거에매우우수한 MTI, MTD, 클러터맵, CFAR 기술등을적용할수있다. 표 3-1 은레이더파라미터를나타낸다. - 239 -
표 3-1 레이더파라미터 번호파라메타내용수식 1 송신주파수 (f) 레이더동작주파수 f = c / λ f = c / λ 2 펄스폭 (τ) 송신기에서신호전력이전송되는시간간격 3 펄스반복주파수 (PRF) 펄스레이더에서의펄스의반복주기 4 대역폭 (B) 캐리어주파수가변동하는범위를말하며, 3dB 대역폭은송수신신호전력의 의전력값을가지는지점이며, 변조방식을사용하지않는펄스신호에서대역폭은펄스의역수 5 드웰타임 (Dwell Time) 에너지가안테나의빔폭에해당하는시간동안특정방위방향으로방사될때의시간 6 첨두전력 ( Pt) 펄스 1주기사이에송신기에서안테나의급전선에공급되는평균전력 7 평균전력 (Pav) 일정한시간동안에레이더송신기가방출한전력의평균 8 전력밀도 (Pd) 지향성안테나에서방사되는전력과이득의곱을안테나방사면 P t G 2 적으로나눔 4πR 9 탐색거리 ( R) 레이더가표적을탐색할수있는거리 10 거리해상도 () 11 방위 / 고도각해상도 동일한각도에서다른거리에존재하는표적을구분하는능력으로서, 레이더의신호펄스폭의함수로표현 횡거리해상도는동일한거리에위치하는표적을구분하는능력으로서, 방위방향또는고도방향횡거리해상도로구분되어안테나의유효빔폭에대한함수로표현 2 2 P 3 ( 4 ) ( ) T G λ σtd frτ R= π SNRn kte FL ΔX Rθ ΔX Rθ(π/180) 1/4 12 도플러주파수와해상도 13 탐색확률과오경보율 14 15 16 17 18 19 20 Radar Cross Section(RCS) 잡음지수 (Noise Figure, Fn) STC(Sensitivity Time Control) FTC(Fast Time Constant) AGC(Automatic Gain Control) MTI(Moving Target Indicator) 듀티싸이클 (Duty Cycle, dc) 21 안테나빔폭 23 안테나부엽레벨 도플러주파수는표적의속도와안테나와표적과의각도에대한함수이며, 도플러해상도는동일거리, 동일방위각, 동일고도각에서서로다른속도로이동하는표적들을구분할수있는능력 탐색확률은탐색을목표로하는표적신호와클러터 (clutter) 신호등의원하지않는신호를포함한수신신호에서표적신호를구분할수있는제한레벨이주어질때표적을탐색할확률이며, 오경보율은원하지않는신호가제한레벨을넘어서게되어표적으로인식하게될확률 레이더수신안테나방향으로의목표물에대한신호의반사도로반사단면적 (m2) 으로표현됨 수신기에서입력의신호대잡음비인 (SNR)i 와출력의신호대잡음비인 (SNR)o 로표현 일정한단면적을가진목표물로부터수신된신호가거리에따라변화되지않도록하는수신기이득제어 수신클러터나잡음이레일라이 (Rayleigh) 확률밀도함수로표현될때사용되므로레일라이특성을지니지않은해양이나지상클러터에는효과적이지못하나강우나기상클러터에는매우효과적인방법 강한신호에의한수신기의민감도를감소시켜레이더전시기의과부하를방지하나원하는신호의탐색확률도떨어뜨리므로이것은간섭완화기술 클러터와표적신호가같이있을경우 MTI 필터를사용하여클러터를제거하는기법 듀티싸이클은펄스가반복되는주기 안테나의빔폭은송신파장의길이에비례하고안테나길이에반비례하며, 빔폭이좁으면전파방해등간섭노출범위가줄어들고팬빔처럼빔폭이크면방위및고도방향으로간섭영향이크다. 부엽레벨 (side lobe level) 은첨두부엽값과첨두주엽값의비로써방사전력이얼마나잘주엽으로집중되어있느냐의척도 24 안테나이득 안테나가전파를송신할때얼마나효과적으로입력단자에서의가용전력을방사전력으로변화시킬수있는가를정량화한것으로써높은이득의안테나는안테나빔에더많은에너지를포함 25 안테나회전률 안테나가회전하는속도로서분당회전수 (rpm) 로표시 26 안테나편파 안테나편파의방향은전계벡터의방향으로정의되며선형, 원형, 타원편파가있음 n f d 2υ = cos θ λ Δf =1/ d T d ( SNR ) i Si N i ( SNR ) So N o F = = dc=τ/pri=τ PRF F( SLL) SLL db = 20log F(max) o Solid angle inasphere G= Solid angel inantenna' sbeam - 240 -
제 2 절레이더방정식레이더방정식은레이더의탐색성능을결정하는주요한파라미터가결집된식으로써최대탐색거리는송신출력과안테나이득, 송신파장에비례하며, 특히표적의반사단면적의크기에비례하며송신펄스폭과반복주기에비례하여변화하는특성을나타낸다. 1. 일반적인레이더방정식 가. 첨두전력밀도 (P D ) 전방향안테나의첨두전력밀도 P D 는식 (3-1) 으로표현된다. (3-1) 표적과의거리가 R이고, 안테나지향이득이 G이면전력밀도 P D 는식 (3-2) 로표현된다. P D PG t = 4πR 2 (3-2) 나. 안테나유효개구면 (A e ) 지향성안테나의안테나유효개구면 A e 는식 (3-3) 으로나타낸다. Gλ A e = 4π 2 (3-3) A e : 안테나유효개구면 (antenna effective aperture) G : 안테나이득 ρ : 개구면효율 (aperture efficiency) (0 < ρ < 1) 일반적으로 ρ는 0.7을사용한다. - 241 -
다. RCS(Radar Cross Section) 식 (3-4) 은 RCS(σ) 의밀도 σ D 를나타낸다. σ σ D = 2 4πR (3-4) 라. 수신되는총신호전력 (S) 수신되는신호의전력은식 (3-5) 과같이송신출력, 표적반사신호, 그리고안테나의 유효개구면에의한식으로정리된다. S = P D PG t σ PG λ σ σ A = = D e 2 2 t A 2 3 4 R 2 e ( 4πR ) ( 4π ) (3-5) 마. 최대레이더탐색거리 (R max ) 최대탐색거리는시스템파라미터인최소의표적탐색신호전력 (S min ) 에의한탐색가 능한최대거리를말하며식 (3-6) 와같이표현된다. R max 2 2 t 3 4 S min 1 4 PG λ σ = ( π ) (3-6) S min : 최소탐색신호전력 바. 잡음전력 (Noise Power) 잡음전력은수신기의고유한인자로식 (3-7) 과같이온도와대역폭의함수로표현된다. Ni = kte B (3-7) k : 1.38 10-23 joule/degree Kelvin ( 볼츠만상수 ) T e : 유효잡음온도 (in degree Kelvin) 사. 잡음지수 (Noise Figure) 잡음지수 F 는수신기에서의입력의신호대잡음비인 (SNR) i 와출력의신호대잡음비인 - 242 -
(SNR) o 에관한식으로식 (3-8) 와같이표현된다. ( SNR) i Si Ni ( SNR) So No F = = o (3-8) 식 (3-23) 은식 (3-24) 을이용하면식 (3-9), 식 (3-10) 와같이 SNR 에관한식으로 변형된다. ( SNR) o S i = kt e BF (3-9) ( SNR) o min S min = kte BF (3-10) 식 (3-26) 을식 (3-22) 에대입하면식 (3-11) 을얻을수있다. ( SNR) 2 2 = PG t λ σ o (3-11) 4 ( 4π) 3 kt BFR e 각시스템의손실을고려하면식 (3-11) 은식 (3-12) 로표현된다. ( SNR) o = PG t 2 2 λ σ 4 ( 4π ) 3 kt BFLR e (3-12) 아. 다중펄스레이더방정식 송신과정에서변조방식을사용하지않는경우송신펄스폭은대역폭과역관계에있으 므로 B=1/τ 를식 (3-28) 에대입하면레이더방정식은식 (3-13) 로유도된다. 2 2 PG 3 ( 4 ) ( ) t λ στ R = π SNR n kte F 1 4 (3-13) - 243 -
그러나식 (3-13) 는단일펄스에대한레이더방정식이므로다중펄스에대한레이더 방정식을구해보면, 안테나빔이표적에머무를때의총펄스의개수 Np 는식 (3-14) 로 구해진다. N p = T D F r (3-14) N p : 총펄스의개수 T D : 안테나빔이표적에머무르는시간 (Dwell time) F r : PRF 식 (3-13) 과식 (3-14) 를곱하게되면다중펄스에대한최종적인레이더방정식인식 (3-15) 을얻게된다. 2 2 PG 3 ( 4 ) ( ) t λ σtd f rτ R = π SNR n kte F 1 4 (3-15) 2. 기상레이더방정식기상레이더는점표적을탐색하는레이더와달리표적의 RCS 가기상현상인부피를탐색하는레이더이다. 기상레이더에서표적의총 RCS 는식 (3-16) 과같이나타내며레이더셀의부피는식 (3-17) 로표현된다. σ = V η = V c c c i σ i (3-16) V c π cτ = ( Rθ B )( RφB ) 4 2 1 2ln 2 (3-17) σ c : 총 RCS σ i : 각각의 RCS V c : 레이더셀의부피 - 244 -
η : 각단위부피당 RCS R : 표적과의거리 θ B : 레이더안테나의수평 half-power 빔폭 φ B : 레이더안테나의수직 half-power 빔폭 τ : 펄스폭 (time) c : 빛의속도 일반적인레이더방정식은식 (3-18) 와같다. P r = PG λ σ 2 2 t c 3 4 ( 4π ) R (3-18) P t, P r : 송신, 수신전력 G : 안테나이득, λ : 파장 3. SAR 레이더방정식 SAR 의경우, 빔폭은식 (3-19) 로정의된다. λ β az, SA = 2 L SA (3-19) 빔폭이작은경우, ( az, SA ) az, SA 만족한다. sin β β 이므로, 방위해상도인 δ az, SA 는식 (3-20) 를 δ az, SA = βaz, SA R (3-20) 그러므로 SAR 의방위방향길이는식 (3-21) 으로표현된다. L SA λ R λ = = 2 β δ az, SA 2 az, SA (3-21) - 245 -
단일펄스를사용할경우일반적인레이더의 S/N 비는다음과같은식 (3-22) 로정의 된다. S N = P G A σ t t 2 4 ( 4π ) R k T0 B Fn r (3-22) P t : 최대송신출력 G t : 안테나전송이득 A r : 수신측안테나면적 σ : 표적의 RCS K : Boltzmann 상수 T 0 : 지구온도 (290 Kelvins) B : 수신기잡음의대역폭 F n : 수신기잡음지수 펄스압축이사용될경우 SNR 은식 (3-23) 에영향을받는다. τ i τ o (3-23) τ i : 입력또는수신할때의펄스폭 τ o : 출력또는압축했을때의펄스폭 또, 펄스집적시 SAR 레이더개구면형성시간은식 (3-24) 이된다. v : 레이더플랫폼이동속도 PRF L v SA (3-24) 그러므로총 SNR 성능지수 (improvement factor) 는식 (3-25) 로표현되며, - 246 -
τ i PRF L τ v o SA (3-25) 식 (3-46) 에식 (3-42) 을대입하면 SNR 성능지수는식 (3-26) 이된다. τ i PRF R λ 2τ vδ o az, SA (3-26) 따라서 SNR 은식 (3-27) 과같다. S N = PG Aσ t t r 2 4 2 3 ( 4π) R kt BF 2τ o vδaz SA ( 4π) R kt F Bτ o 2vδaz, SA 0 n τi PRF Rλ =, Pτ PRF t i 0 n Gt Ar λ σ (3-27) 일반적으로정합필터의경우식 (3-28) 를만족한다. Bτ o =1 (3-28) 또한, 수신안테나와송신안테나가같다면이득은식 (3-29) 이된다. 4 π A G r t = 2 λ (3-29) P τ PRF = P t i avg (3-30) 로유도된다. 이므로위에서열거된식들을식 (3-29) 에적용하면다음과같은식 S N = 2 P avg 4π A λ σ 2 r 2 3 2 3 ( 4π ) R k T F λ v δ 8π R k T0 Fn λ v δ az, SA 0 n az, SA = P avg A 2 r σ (3-30) RCS 는식 (3-31) 처럼거리해상도와방위해상도에관한식으로표현된다. - 247 -
ρ δ r δ σ = cos az,sa ( ψ ) (3-31) ψ : depression angle ρ : 반사도 최종적으로 SAR 의 SNR 은식 (3-32) 로정리된다. S N 2 Pavg Ar ρ δ r = 3 8 π R k T0 F λ v δ, n az SA cos ( ψ ) (3-32) - 248 -
제 4 장레이더전파간섭기준 제 1 절레이더전파간섭형태전파간섭은하나이상의전자기적에너지의방사나통신시스템의전기적유도에의해성능저하나오차또는정보의손실을가져오게하는원하지않는신호이다. ITU-R 에서규정한간섭보호기준을평가하기위한간섭신호의종류는크게 5가지나눌수있다. 수신기출력의대역폭보다훨씬작은대역폭을가지는연속된간섭신호 (continuous wave, CW), 수신기 RF 대역폭의가우시안잡음과유사하거나같은영향을주는연속된간섭신호 (noise-like), 일정시간동안 on-off 를반복하며펄스폭과펄스반복주기로표현되는펄스형간섭신호 (pulse), 매우작은펄스폭을가지는임펄스간섭신호 (impulse) 와모든변조신호의파라미터가표적신호와같을때의신호 (same as desired signal) 로구분된다. 1. CW 신호전파간섭레이더는다른형태를지닌간섭에의해서많은방법들로영향을받는다. 잡음형태의 CW 간섭은무선표정레이더의감도를저하시키고, 그영향은잡음의강도와연관되어있다. 간섭이존재하는방위각영역내에서간섭의전력스펙트럼밀도는레이더시스템의열잡음에의한전력스펙트럼밀도와더해져표현될수있다. 만약간섭이없는상황에서의레이더시스템잡음의전력이 N, 외부간섭전력이로 I 표시된다면, 결과적으로총잡음전력은 I+N이된다. 레이더간섭기준은일반적으로 ITU-R 에서규정된다. ITU-R 에서규정한간섭보호기준은잡음전력이 N에서 I+N으로증가함에따른반사신호의 S/N비감소를기반으로하였다. 이에따라, 간섭이존재할경우, 레이더는소형표적의검출이가능하도록최대탐지거리를줄이거나고출력송신기나전력합성장치를레이더에사용함으로써임무를수행할수있다. 이러한성능감소는레이더의임무와표적의환경에따라다르다. 대부분의레이더에서 1dB 의잡음레벨증가는시스템이허용할수있는성능감소의최대범위에영향을끼친다. 평균또는중간레벨의 RCS 를가지고있는점표적의경우, 1dB 의증가는약 6% 의탐지거리를감소시킨다. 1dB 의잡음전력증가의인수는 1.26 이고, 이는주어진표적으로부터 1/(1.26) 1/4, 또는 1/1.06 만큼의감소된거리를요구하며, 이때의탐지거리는 6% 가감소된다. 거리공식에서 SNR 은송신전력, 합성전력량, RCS 에비례한다. 잡음레벨의 1dB 증가는표적의 RCS 가간섭이없을때보다 1.26 배크거나, 송신 - 249 -
전력이 1.26 배증가하거나 26% 이상의합성전력생산량의증가를필요로한다. 특히, 이동하는레이더에서이런대안중일부는가격이나실행가능성, 그리고시스템사양에의해제한된다. 점표적에서의성능은주어진탐지확률, 오경보율그리고표적진동특성에따라달라진다. 기상회피, 기상관측레이더는점표적레이더와는달리큰표적을가진다. 레이더의점표적방정식에따르면 SNR 은거리의 -4 승이다. 빔폭전체에펴져있는비를관측하는기상레이더에서탐지거리감소의인자는 (1.26) 1/2 이다. 이런간섭이있게되면 12% 의탐지거리손실이발생하고전체탐지범위는 26% 의손실이발생한다. 대신주어진거리에서의간섭은기상반사진동특성과관계없이약 26% 이상의최소로측정가능한기상반사도를증가시킬것이다. 기상레이더에서약 0.5 db의증가는거리 5%, 전체범위 11% 의감소를가져온다. 이증가비는약 -10dB 의 (I+N)/N과같다. SAR 는레이더플랫폼의이동에의해관측된부분내에서안테나빔 RF 가각각의픽셀을지나가면서요구하는시간동안반사된펄스의코히어런트적분을수행한다. 지상에조명되는빔폭은거리와적분가능한펄스의수에비례하며잡음과연관된전체처리이득또한거리에비례한다. 설계시허용된유연성의범위와출력 SNR 은거리의 -3 승에비례한다. 1dB 의유효잡음전력증가는영상화된지상표적으로부터 SAR 까지의거리가 (1.26) 1/3 의인수로감소하며, 이때의손실은 7.7% 이다. 제공된운용제한들은이미지데이터가수집될수있는비율감소와같은비율로거리감소를일으킨다. 이것이허용가능능력의제한이다. 다른선택은 SAR 송신기의평균전력을 26% 이상증가시키는것이다. 레이더에서의 1dB 의유효잡음전력증가는 1.26 의 (I+N)/N비또는 -6dB 의 I/N비와같다. 이는레이더의주엽과부엽으로들어오는모든간섭의허용가능총계를나타낸다. 각각의잡음형태간섭에의허용가능 I/N비는간섭의수와지형에따라달라지고, 기본적으로레이더에서의탐지는통신이라기보다는 RF 스펙트럼의다른용도이고, 양쪽에같은간섭기준율을적용하는것은적합하지않으므로주어진시나리오를분석함으로써평가되어야만한다. 2. 펄스신호전파간섭펄스신호전파간섭의영향은그크기를측정하기가어렵고, 수신처리기의종류와시스템동작모드에따라크게변한다. 특히동기화된펄스를가지는유효표적반사와비동기된간섭펄스들의다른처리이득은펄스간섭의주어진레벨강도에중요한역할을한다. 성능저하의여러형태들은비동기된간섭펄스에의해영향을받을수있다. 다른처리 - 250 -
이득부여는특정한탐색종류간의상호작용을평가분석하여이루어진다. 일반적으로, 많 은형태의탐색은일부독립된탐색으로부터생성된낮은듀티싸이클을가진펄스간섭을 억제하는특징을지닌다. 제 2 절레이더파라미터와전파간섭보호기준관계분석 ITU-R 권고문은탐색시스템에서연속또는높은듀티비를가진잡음과같은형태의간섭에대한보호기준은간섭대잡음 (I/N) 의비로표현한다. 잡음형태의연속되는간섭파형에대한탐색의보호기준은시스템의고유잡음레벨이상에서허용가능한간섭레벨 (I+N) 증가를기반으로한다. 따라서, 보호기준은간섭신호가존재하지않는환경에서의신호대잡음비 (S/N) 가간섭신호가존재하는환경에서의신호대잡음 + 간섭비 (S/(N+I)) 를고려하여설정되었다. 1. 표적탐지거리와 I/N 비와의관계 간섭이존재하지않는경우, 점표적감시탐색의방정식은다음식 (4-1) 과같이표현 된다. (4-1) 여기서 S N 는잡음만존재할때의탐색에수신되는신호의전력을나타내며, N은시스템수신부의잡음전력, P 는 t 송신전력, G 는 t 송신안테나이득, R N 은표적탐지최대거리, 는표적 RCS, L R 은수신손실, G R 은수신안테나이득, 는운용파장을나타낸다. 식 (4-1) 은다음과같이거리 R 4 N 에대한식 (4-2) 로전개된다. (4-2) 잡음이존재하는환경에서의탐색의점표적방정식은위와유사한방법으로유도될수 - 251 -
있으며, 시스템의잡음전력에간섭신호의전력이더해진형태로써식 (4-3) 으로표현 된다. (4-3) 여기서 S N+1 는잡음형태의간섭이존재하는경우탐색의수신신호전력, I 는수신 된잡음형태간섭의평균전력, R N+1 는간섭이존재할때표적이탐지가능한최대 거리를말한다. 식 (4-2) 와동일한방법으로 에대해서전개하면, 식 (4-4) 와 같이표현된다. (4-4) 간섭의존재유무에대한최대탐지거리의영향을분석하기위해식 (4-4) 를식 (4-2) 로나누게되면다음과같은식 (4-5) 로유도된다. (4-5) 간섭이존재하는환경과존재하지않는환경에서표적탐지확률 와오경보율 P fa 의값이동일한수치이고, 표적탐지를위한문턱치가적절하게설정되었다면탐지확률과오경보율은 S N /N과 S (N+I) /(N+I) 의값에의해서정해지며, S N /N과 S (N+I) /(N+I) 는동일한값을가지게될것이다. 따라서최종적으로식 (4-6) 과같이 R과 I, N에대한식으로표현된다. (4-6) - 252 -
식 (4-6) 을사용하여간섭신호의전력에따른최대탐지거리의손실변화를계산할수있으며, 그림 4-1 과표 4-1 을통하여결과를제시하였다. 그림 4-1 에서 I/N비에대한탐지거리의변화를살펴보기위해탐지확률, RCS, 오경보율은일정하게유지하였다. % Loss of free-space ragne to maintain constant P d for any given RCS 30 25 Range Penalty, % 20 15 10 5 0-10 -5 0 5 I/N, d B 그림 4-1 I/N 에따른최대탐지거리손실변화 표 4-1 I/N 비에따른최대탐지거리손실 I/N, db -10-6 0 3.32 I/N, numeric 0.1 0.26 1.0 2.148 (N+I)/N, numeric 1.1 1.26 2.0 3.148 0.976 0.946 0.841 0.751 loss of detection range 2.4% 5.4% 15.9% 24.9% 2. 평균표적 RCS 와 I/N비와의관계최대탐지거리와 I/N비의관계에서고려한방법과같이 I/N비의변화에의한 RCS 의영향을분석하기위해잡음만있는환경에서의 RCS 를 라하고, 간섭과잡음이동시에존재하는환경에서의 RCS 를 라하면두환경에서의거리방정식은다음과같은식으로표현된다. (4-7) - 253 -
(4-8) 위두식을 RCS 에대해서정리하면다음두식으로표현된다 (4-9) (4-10) I/N 비의변화에의한 RCS 변화를분석하기위해식 (4-10) 을식 (4-9) 로나누어정리 하면식 (4-11) 과같이표현되며, 간섭의존재유무에따른탐지확률및 SNR 의변화는 동일해야하므로식 (4-12) 와같다. (4-11) (4-12) 식 (4-12) 로부터주어진거리, 탐지확률과오경보율측면에서간섭의영향에따른표적 RCS 의변화를얻을수있으며, 그결과를그림 4-2 와표 4-2 에나타내었다. 350 Average-RCS penalty incurred with any target fluctuation 300 250 RCS Penalty, % 200 150 100 50 0-10 -5 0 5 I/N, d B 그림 4-2 I/N 비에따른 RCS 의변화 - 254 -
표 4-2 I/N비에따른 RCS 변화량 I/N, db -10-6 0 3.32 I/N, numeric 0.1 0.2512 1.0 2.148 (N+I)/N, numeric 1.1 1.2512 2.0 3.148 1.1 1.2512 2.0 3.148 RCS penalty, % 10% 25.1% 100% 215% 3. 송신전력과 I/N 비와의관계 송신전력에따른 RCS 의값이일정하다면, 송신전력과 I/N 비와의관계식은식 (4-12) 의형태와유사한식으로표현된다. (4-13) RCS 요구치와동일한방법으로식 (4-13) 을이용하여 I/N 비의변화에따른필요송신 전력의변화를얻을수있으며, 그림 4-3 및표 4-3 에그결과를나타내었다. 350 Transmitter power penalty 300 250 Power Penalty, % 200 150 100 50 0-10 -5 0 5 I/N, db 그림 4-3 I/N 비에따른송신전력의변화 - 255 -
표 4-3 I/N 비에따른필요송신전력량 I/N, db -10-6 0 3.32 I/N, numeric 0.1 0.2512 1.0 2.148 (N+I)/N, numeric 1.1 1.2512 2.0 3.148 1.1 1.2512 2.0 3.148 Required transmitter power increase, % 10% 25.1% 100% 215% 제 3 절 ITU 권고에의한선박무선항행탐색의간섭기준위에서규정된시나리오에서는현재사용중인선박탐색의국제적간섭기준은아직없다. 그러나 ITU-R M. 1461은일반적인 -6dB 의 I/N 레벨을제안한다. IMO 는선박탐색의표준동작성능개정안을만들고, 이개정안은원하지않는결과물들로인해최근에 ITU 요구들을고려한다. 먼저, IMO 개정은다른원격서비스로부터의간섭가능성인식을제공하고, 탐색주파수대역의기능으로필수거리와 RCS 로표현된특정표적들의탐지와같은새로운요구들을포함한다. 표적의탐지는 10-4 의오경보율을지니고적어도 8 10번의탐색수행을기반으로한다. 또한, 탐지요구는안테나가해수면으로부터 15m 의위치에있고, 바다클러터, 비, 안개등의부재를조건으로한다. 가장중요한사항은, 국제적인해양기관들은 IMO Safety of Life at Sea Convention (SOLAS) 를따르고, 탐색은충돌회피를위한최우선센서라는점이다. 이내용은자동인식시스템 (AIS) 의필수정비문맥에서볼수있으며, 이런시스템들은충돌회피시나리오를위한관점에서상대적인위치확인을확실히하기위해 GPS 같은외부장치에의존한다. 그러나시스템의조정은 AIS 에맞지않는해상물체들인빙하, 떠다니는파편, 난파선, 그리고다른배등에대해서는고려하지않는다. 그러므로탐색은앞으로도충돌회피를위한주요시스템으로남아야한다. 사용자들과해양기관들의집중적논의는허용가능한규정내에서간섭이존재하지않는항해시조정가능한운용상의요구들을이끌어냈다. 접근법은실험을수행하여현재선박탐색이탐지확률의함수로써 I/N비를간섭의요소로써허용될수있다는것을결정했다. 표 4-5 는각대역별간섭보호기준과관련된 I/N비기준과 ITU-R 권고문을나타낸다. - 256 -
표 4-4 주파수대역별전파간섭보호기준관련 ITU-R 권고문 대역 탐색주파수대역및업무 CW 와잡음간섭신호 ITU-R 권고문 UHF 420 450 MHz Radiolocation I/N -6dB M. 1462 L 1215 1400 MHz Radiodetermination I/N -6dB M. 1463 S S S 2700 2900 MHz Radionavigation and Meteorological Aids 2900 3100 MHz Maritime Radionavigation 2900 3100 MHz Radiodetermination and Meteorological Aids I/N -10dB M. 1464 I/N -6dB M. 1313 I/N -6dB M. 1460 S 3100 3700 MHz Radiodetermination I/N -6dB M. 1465 C 5250 5850 MHz Radiolocation, Aeronautical Radionavigation, and Meteorological Aids I/N -6dB M. 1638 X 8500 10500 MHz Radiodetermination I/N -6dB M. 1796 Ku 13.75 14 GHz Radiolocation and Radionavigation I/N -6dB M. 1644 Ku 15.7 1.73 GHz Radiolocation I/N -6dB M. 1730 Ka 31.8 33.4 GHz Radionavigation I/N -6dB M. 1466 Ka 33.4 36 GHz Radiodetermination I/N -6dB M. 1640-257 -
제 5 장결론 군작전개념이전자전 정보전양상으로변화함에따라주파수사용이급증하고있으며, 주파수이용에있어서광역화 광대역화되고있다. 또한레이더를비롯한무선통신이작전수행에필수요소로변해감에따라주파수소요가증가하고있다. 국내주파수분배대역에서레이더장비가속하는무선표정대역은 MF 대역에서 Ka 대역까지넓게분포되어있으며, 전체대역폭대비약 20% 를차지하고있다. 특히레이더주파수는 X밴드 (8 12GHz) 에서집중적으로분포되어있으며대부분군레이더가차지하고있다. 레이더는주파수특성상높은출력과넓은대역폭을사용하여타무선통신망또는레이더상호간전파간섭을야기할수있다. ITU 등국제적으로레이더주파수이용및전파간섭문제에대한연구가활발하게진행되고있다. 따라서본연구는레이더스펙트럼전파간섭분석을위한연차별연구기본계획안을마련하여레이더주파수이용에서전파간섭문제점과그해결방안을찾고자한다. 본연구는국내레이더주파수대역과이용현황을살펴보고레이더종류와특성을조사하였다. 또한레이더시스템의파라미터를분석하여레이더종류별방정식을통해전파전파특성을살펴보았으며, 레이더전파간섭형태와파라미터와전파간섭의관계를분석하고주파수대역별 ITU 권고전파간섭보호기준을조사하였다. - 258 -
참고문헌 [1] 한국전자파학회, 레이더공학과전자전응용, 2006 [2] 미국방부 (DOD), MIL STANDARD 496B [3] www.radartutorial.eu, 레이더기본원리 [4] NTIA, Radar Engineering Note [5] ITU, ITU-R M.1313. TECHNICAL CHARACTERISTICS OF MARITIME RADIONAVIGATION RADARS [6] NTIA, Analysis of Electromagnetic Compatibility Between Radar Statellite Earth Stations [7] IEEE, A Physically Based Radar Simulator [8] ITU, ITU-R M.1462. CHARACTERISTICS OF AND PROTECTION CRITERIA FOR RADARS OPERATING IN THE RADIOLOCATION SERVICE IN THE FREQUENCY RANGE 420-450 MHz [9] ITU, ITU-R M.1463. CHARACTERISTICS OF AND PROTECTION CRITERIA FOR RADARS OPERATING IN THE RADIOLOCATION SERVICE IN THE FREQUENCY RANGE 420-450 MHz [10] ITU, ITU-R M.1464-1 Characteristics of radiolocation radars, and characteristics and protection criteria for sharing studies for aeronautical radionavigation and meteorological radars in the radiodetermination service operating in the frequency band 2 700-2 900 MHz [11] nato, radar ANTENNA RADIATION PATTERNS [12] CHRIS ALLEN, 레이더의원리 [13] NTIA, INTERFERENCE MEASUREMENTS ON A FIXED GROUND-BASEDMET EOROLOGICAL RADAR [14] IEEE, Modeling Radar Propagation in Three-Dimensional Environments - 259 -