Microwave Photonics Radar 특징

다음은 Microwave photonics 레이다에 관련된 학술자료를 바탕으로 주요 특징에 대해 정리해 보았다.

 

레이다는 기상이나 주야에 상관없이 장거리의 표적을 탐지하거나 이미지를 획득하는 센서 중 가장 대표적인 센서라 할 수 있다.

기존의 레이다는 순수한 전자 기술을 통해 구현되어 왔으나, 최근의 복잡한 전자기적 환경하에서 제한된 주파수 대역폭과 해상도, 처리속도 등으로 인해 저고도와 저속의 작은 표적을 탐지하는 데에 어려움이 있는 것이 사실이다.

 

이러한 기존 전자 기술로 구현된 레이다의 한계를 극복하기 위해 레이다에 photonics 기술을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

Photonics 기술이 기반이 되는 레이다는 다음과 같은 뚜렷한 장점을 갖고 있다.

• Broad bandwidth
• Flat response
• Low loss transmission
• Multidimensional multiplexing
• Fast analog signal processing
• Highly coherent pulse source
• EMI immunity

 

기존의 microwave 시스템은 마이크로파나 중간주파수(IF, Intermediate Frequency) 신호를 전자 부품을 통하여 electrical domain 상에서 처리하며 다음의 그림과 같다.

(microwave 시스템)

반면에 최신의 photonics 시스템은 다음의 그림과 같이 광대역의 EO(Electrical-to-optical)와 OE(Optical-to-electrical) 변환이 적용되고 optical domain 상에서 신호는 전달되고 처리가 이루어진다.

(microwave photonics 시스템)

EO 변환은 직접 변조 레이저 다이오드나 외부 변조기와 결합된 연속파 레이저 소스를 통해 수 GHz에서 수십 GHz의 대역폭을 구현할 수 있다.

이러한 EO 또는 OE 변환 성능은 microwave 시스템에서 링크 이득이나 대역폭, 동적 범위, 신호대 잡음비(SNR), 변환 효율에 영향을 준다.

 

Microwave photonics 시스템은 최근까지 많은 발전을 이루어왔으며 이는 기존의 최신 전자 부품들로는 구현할 수 없는 성능들이다.

이러한 Microwave photonics 레이다의 성능적 특징에 대해 하나씩 알아보겠다.

 

[광대역(Broad Bandwidth) 처리 특성]

레이다 분야에서 주파수 대역폭은 매우 중요한 요소이며 거리 해상도를 결정하는 파라미터 이기도 하다.

레이다의 거리 해상도는 빛의 속도(c) ÷2X(대역폭)으로 표현되며 거리 해상도는 방사되는 신호의 대역폭에 반비례하므로 넓은 대역폭은 높은 해상도를 얻을 수 있게 한다.

예를 들면 다음의 그림과 같다.

8개의 반사체를 놓고 2 GHz의 대역폭과 8 GHz의 대역폭을 갖는 신호로 처리했을 때 해상도 차이가 있음을 확인할 수 있다.

(2 GHz vs 8 GHz 해상도 비교)

추가적으로, 광대역 신호의 방사 전력은 아주 작은 전력 스펙트럼 밀도를 갖으므로 이러한 특징은 항재밍 특성이 좋다고 할 수 있다.

또한, 레이다는 송신 펄스폭만큼 아주 가까운 거리는 탐지가 불가능한 “dead zone”이 존재하는데 광대역 레이다는 작은 펄스폭으로 인해 이러한 “dead zone”을 줄일 수 있는 장점이 있다.

이렇게 성능에 중요한 파라미터인 주파수 대역폭에 있어서 microwave photonics 레이다에서는 초 광대역 신호의 처리 능력을 가질 수 있다.

 

[고성능의 신호 전송 특성]

레이다에서 송신 라인은 광범위하게 적용되어 있다.

광섬유는 전송 손실이 매우 낮으며 가볍고, 저가이면서 EMI의 영향에서 자유롭기 때문에 정보 전달에 있어서 최고의 수단이다.

광섬유의 열적 지연 상수는 가장 우수한 동축 케이블의 값보다 3~10 정도 낮으며 더 중요한 부분은 양방향 송신을 지원한다는 것이다.

이는 아주 안정적인 주파수와 타이밍 기준 신호를 각 송수신 장치들에서 제공이 가능함을 의미한다.

 

[Multi-dimensional Multiplexing]

기존의 레이다는 electronic domain 상에서 시분할 멀티플렉싱(TDM, Time-Division Multiplexing)이나 주파수 분할 멀티플렉싱(FDM, Frequency-Division  Multiplexing), 코드 분할 멀티플렉싱(CDM, Code-Division Multiplexing)등을 사용하였다.

 

Photonics 기술의 적용은 자유도가 더 좋은 multiplexing을 가능하게 하며 이를 통해 하드웨어 자원은 최소한으로 하면서 큰 동적 범위와 넓은 주파수 대역폭 처리가 가능하다.

한 가지 대표적인 광학 multiplexing 기법은 파장 분할 multiplexing(WDM, Wave-Division Multiplexing)이다.

이는 수십 THz의 주파수 대역폭 처리가 가능한 장점이 있으며 현재 광통신에서 널리 사용되고 있다.

 

또한, 편파(polarization)도 Multiplexing의 한 domain으로서 연구되고 있으며 photonics 레이다에서 신호 생성, 전송, 처리, 제어 및 측정 부분에서 활용이 가능한 것으로 알려져 있다.

 

최근의 주목받고 있는 방식은 공간 분할 Multiplexing(SDM, Spatial-Division Multiplexing)이며 광통신 시스템이 갖는 제한점을 극복할 수 있는 방법으로 주목받고 있다.

SDM 시스템은 다중 코어 섬유(MCF, Multi-Core Fiber)나 다중 모드 섬유 등이 적용되는데 photonics 레이다에서는 다중 LO(Local Oscillator) 생성, 신호 전송, 스펙트럼 감지, 필터링, 빔포밍 등에 활용된다.

이 SDM 시스템을 photonics 레이다에 적용했을 때의 한 가지 문제는 서로 다른 코어나 모드 간의 격리도가 낮아 채널 간의이 있다는 것이다.

(Multi-Core Fiber)

 

[광대역의 아날로그 신호처리 특성]

레이다에서 아날로그 신호처리부는 일반적으로 RF 초단에 있다.

예를 들면, 필터링, 믹싱, 위상 변경, 주파수 분할, 시간 지연/압축, 감도 조절 등이 이에 해당한다.

반면에 유연하고 재생성이 가능하며 정확도가 높은 디지털 신호처리도 신호처리에 있어 장점이 있다.

그러나 디지털 신호처리는 넓은 주파수 대역을 처리할 때에 소모되는 높은 소모전력과 어쩔 수 없는 시간 지연 발생, 높은 주파수 대역에서의 성능 저하 그리고 높은 가격 등은 극복해야 할 문제로 남아 있다.

그러므로 아날로그 신호처리의 역할은 넓은 주파수 대역폭을 처리해야 하는 레이다에서 그 역할이 남아 있다고 볼 수 있다.

 

전기적인 아날로그 신호처리 시스템에서 신호는 캐패시터와 저항, 인덕터, 지연선, 증폭기, 트랜지스터, 그리고 이 외의 비선형 소자들을 통과해야 하며 이들 소자는 유한한 주파수 응답특성을 갖으므로 주파수 대역폭에 제한이 있다.

 

그러나 optical domain 상에서 아날로그 신호처리는 다른 방식으로 구현이 가능하다.

OFC(Optical Frequency Comb) 또는 수 THz 범위로 확장이 가능한 ultra-short optical pulse spreading을 활용하여 EO 변조기에서 microwave 신호는 쉽게 확장되거나 압축될 수 있다.

이러한 동작을 통해 퓨리에 변환, 펄스 코딩, 샘플링 및 양자화, 시간 역전 등을 수행할 수 있다.

 

또 다른 광대역의 아날로그 신호처리는 연속파(CW, Continuous Wave) 레이저를 이용하는 것이며 이를 통해 위상 변경, 믹싱, 위상 코딩, 필터링, 퓨리에 변환 등을 아주 우수한 유연성과 함께 수행이 가능하다.

 

OFC와 CW기반의 신호처리를 결합하면 더욱 우수한 성능의 신호처리가 가능하다.

 

[평탄한 신호 세기 및 위상 응답 특성]

기존의 레이다는 높은 수신 감도와 넓은 동적 범위를 요구한다.

그러나 수신기의 잡음과 비선형성, 채널 간 crosstalk 영향 등으로 인해 보통 성능 저하를 겪게 된다.

 

레이다의 운용 주파수 외의 주파수 대역에서의 잡음이나 간섭은 필터를 통해 쉽게 제거가 가능하지만 운용 주파수 이내에서 점유하고 있는 잡음이나 원치 않는 신호는 제거가 쉽지 않다.

가장 유용한 방법으로 사용되는 것이 코히런트 처리를 통해 잡음이나 원치 않는 신호를 줄이는 것이다.

이는 신호의 세기는 같으나 위상이 상호보완적인 원치않는 신호와 원신호를 코히런트 결합시킴으로써 수행할 수 있다.

 

이런 신호를 생성하기 위해서는 장치는 평탄하고 조정 가능한 신호 세기 및 위상 응답특성이 요구된다.

그러나 electrical domain 상에서는 장치 응답의 평탄성은 매우 좁은 주파수 대역폭에서만 가능하다.

다음의 그림은 30 GHz에서 신호 세기 및 위상의 평탄도를 나타낸 것인데 보는 바와 같이 세기는 3dB, 위상은 7˚의 변화가 있음을 알 수 있다.

(Electrical domain 장치 특성)

 

광학 장치에서는 아주 평탄한 신호 세기 및 위상 특성을 갖으며 쉽게 넓은 대역폭의 신호 위상 변경과 신호 세기 조절 구현이 가능하다.

다음의 그림은 6 THz 주파수에서 신호 세기 및 위상의 평탄도를 나타내는데 신호의 세기는 0.1dB, 위상은 1˚의 변화밖에 없다.

(Optical domain 장치 특성)

매우 우수한 신호 세기 및 위상의 평탄도는 optical domain상에서는 넓은 대역폭의 잡음과 간섭 신호의 제거가 가능함을 의미한다.

 

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[높은 코히런트 펄스 소스 특성]

Optical domain에서는 femtosecond 수준의 펄스폭을 갖는 ultra-short 펄스 신호처리가 가능하다.

이러한 ultra-short 펄스는 레이다 시스템에서 독보적인 성능을 발휘할 수 있다.

 

첫 번째는 picosecond 또는 femtosecond 수준의 펄스폭 신호는 매우 우수한 시간 해상도를 갖으므로 이를 이용한 샘플링이나 스위칭, 시간 지연 제어등과 같은 time domain 상에서의 microwave 신호 조작이 가능하다.

두 번째는 ultra-short 펄스는 THz 수준의 대역폭을 갖으며 frequency domaon 상에서의 매우 유연한 주파수 처리가 가능하다.

더욱 중요한 부분은 ultra-short 펄스 열의 스펙트럴 라인은 매우 안정적인 신호 세기와 위상 관계를 갖으며 이상적으로 코히런트 하다는 것이다.

이러한 코히런트 특성은 microwave 신호의 시간축에서 주파수축으로의 전환이나 반대로 주파수축에서 시간축으로의 전환 시 매우 낮은 위상 잡음을 갖게 한다.

 

 

앞에서 microwave phtonics 기술 기반의 레이다 장점들에 대해 간략히 알아봤다.

1960년대부터 연구가 시작된 microwave photonics 기술은 지난 수십 년간 많은 기술들이 개발되어 왔다고 한다.

레이다 시스템에서 안테나나 증폭부를 제외한 LO 신호 발생,파형 변조, up/down 변환, 빔포밍, 필터링, ADC 등에서 microwave photonics 기술이 적용되고 있다.

 

러시아의 5세대 전투기인 Su-57에 이 photonics 기술이 기반이 된 AESA 레이다를 적용한다는 기사가 몇 년 전부터 있었으며, 아직 개발 중인지 아니면 이미 적용되었는지는 알 수 없다.

기사에 따르면, 이 레이다는 기존 전투기 레이다의 절반 수준으로 중량을 줄일 수 있으며 레이다 해상도는 10배 이상 한다.

아래의 그림은 인터넷상에서 러시아의 photonics 기반 레이다라고 알려진 사진이다.

( 러시아 AESA 레이다)