에미터 위치 탐지 기법 - (2)

여기서는 에미터로부터 수신 시스템 간의 거리를 측정하는 두 가지 방법과 Interferometric direction finding(DF)에 대해 알아본다.

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거리 측정

만약 송신 전력과 수신 전력을 알고 있다면, 다음의 그림과 같이 신호가 송신된 거리를 계산할 수 있다.

 

(수신 전력은 주파수와 거리에 따라 줄어든다)

 

이러한 기법은 EW 시스템에서만 사용되기 때문에 높은 거리 측정 정확도를 요구하지 않으며, 공간 손실 외의 요소들은 무시하는 것이 일반적이다.

공간 손실은 다음의 식으로 계산된다.

 

L_S = 32.4 +20 log(F) + 20 log(d)

 

여기서 L_S 는 dB로 표현되는 거리 손실이며,
F는 MHz로 표현되는 송신 주파수이고,
d는 km로 표현되는 송신 길이이다.

 

이 방정식을 d로 정리하면 다음과 같다.

 

d = antilog{[LS –32.4 –20 log(F)]/20}

 

예를 들면, 운용 주파수 10 GHz와 유효방사전력이 100 dBm인 레이다가 수신 안테나에 수신된 전력이 -50 dBm 이면 공간 손실이 150 dB이다.

이 값들을 방정식에 넣으면

거리는 약 76 km가 된다.

 

[150 - 32.4 – 20(log 10,000)]/ 20 = 1.88

Antilog of 1.88 = 75.6 km

 

실제의 시스템에서, 특히 항공기의 경우 이러한 거리 측정 정확도는 25%가 되지 못한다.

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전파 시간 측정

좀 더 정확한 측정 기법은 다음의 그림과 같은 전파 시간 측정이다. 

 

(신호는 빛의 속도이기 때문에 전파 지연은 거리에 선형 관계를 갖는다)

 

신호는 빛의 속도(3x10⁸ m/sec)와 거의 동일한 속도를 갖는다.

따라서 만약 신호가 송신 안테나를 떠나 수신 안테나에 도착한 시간을 안다면 정확한 전파 거리를 결정할 수 있다.  

이러한 방법은 레이다에서 거리를 측정하는 방법이며 레이다는 송신기와 수신기가 같이 있기 때문에 매우 용이하다.

문제는 정확한 송신 시간과 도착 시간을 알아내는 것이다.

도착 시간의 문제는 매우 정확한 GPS 기반의 시간 정보를 이용하여 대부분 해결하였지만 송신 시간의 문제는 GPS와 같은 협력 시스템에서만 측정이 가능하다.

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Interferometric(간섭계) 방향 탐지 

어떤 DF 시스템이 1도의 RMS 정확도를 갖는다면 이는 대부분 Interferometric 기법을 적용하고 있다고 볼 수 있다.

이 기법은 두 안테나에서 각각 수신되는 신호의 위상을 측정하고 이 두 위상의 차이를 이용하여 신호의 방향을 도출한다.

Interferometric DF 기법의 기본 원리는 다음의 그림에서 잘 설명하고 있다. 

(Interferometric 기법 원리)

 

정렬된 두 개의 안테나가 있다.

여기서 이 두 안테나의 위치는 이미 알고 있음을 가정하고 있으며 따라서 안테나 간의 간격과 기준은 정확하게 계산할 수 있다.

이제 고려할 것은 도착 신호의 전파면(wave front)이다.

이 전파면은 실제로는 존재하지 않는다.

그러나 유용한 개념이다.

이것은 신호가 수신 시스템 위치에 도착하는 방향에 수직이 되는 선이다. 

송신 신호는 정현파이고 빛의 속도로 나아간다고 가정한다.

신호의 한 파장은 360° 위상을 포함하고 있다.

관측되는 신호의 위상은 전파면의 어느 위치에서든 동일하다 

 

반응형

 

그림에서 전파면은 하나의 안테나에 닿고 있으며 다른 안테나와의 거리는 “D”이다.

구조상 이는 베이스라인과 전파면, D로 구성된 직각삼각형이다.

파장에 대한 D의 비율은 360으로 나눈 위상의 주기 수와 같다.

그렇기 때문에 두 안테나에서 수신한 신호의 위상 간 차이는 파장 대한 D의 비율이 된다.

베이스라인 길이에 대한 D의 비율은 sine A이며 각도 A는 각도 B와 동일하다. 

대부분의 Interferometer 시스템에서 베이스라인은 파장에 대한 적절한 길이를 가져야 하며 너무 작으면 정확도가 떨어지고 너무 넓으면 모호성이 발생한다.

 

또한, 만약 안테나가 360° 범위를 갖는다면 front-back 모호성이라 불리는 현상도 발생한다.

신호가 거울 반사 방향과 같은 곳에서 수신되면 안테나 간 동일한 위상 차를 갖게 된다.

이것은 높은 front-back 비율을 갖는 안테나를 이용하거나 또는 다중의 베이스라인을 이용하여 해결할 수 있다.

다음의 그림은 4개의 다이폴 어레이를 이용한 Interferometric 시스템을 나타낸다.

(4개의 수직 다이폴 어레이는 6개의 베이스라인을 구성하는 Interferometric DF 시스템에서 자주 사용된다)

 

Top 뷰에서 보듯이 6개 쌍의 안테나 즉, 6개의 베이스라인을 갖는 모습을 볼 수 있다.

정확한 도착 각도는 서로 다른 베이스라인에서부터의 데이터를 종합하여 구할 수 있다.

 

 

출처 : The Journal of Electromagnetic Dominance, October 2023

 

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