CHAPTER 1. INTRODUCTION TO RADAR

앞으로 시간 날 때마다 서적 “Electronic Warfare Fundamental”의 내용을 정리해보고자 한다.

얼마큼 자주 업데이트 될지는 모르겠지만 시간이 걸리더라도 한번 끝까지 공부하면서 정리할 계획이다.

(Electronic Warfare Fundamentals)

 

이 책은 쉬우면서도 많은 내용을 다루고 있는 것 같다.

전자전은 기본적으로 레이다에 대한 내용을 알고 있어야 하므로 대부분의 전자전 관련 전문 서적이 레이다 원리를 가장 먼저 다루고 있는데 이 책 역시 레이다에 대한 원리와 특성에 대해 먼저 설명하고 있다. 

 

전체적인 구성은 레이다 기본, 레이다 종류, ECM, IR과 IRCM, ECCM, 그리고 RWR 및 SPJ의 구성으로 되어 있다.

 

앞으로서 이 책의 내용 중 중요 사항을 요약하고 개인적으로 더 추가할 내용이 있으면 추가하면서 정리할 예정이다. 

혹시 전자전 분야에 관심이 있으신 분은 같이 공부해 나가면 좋을 것 같다.

 

 

[CHAPTER 1. INTRODUCTION TO RADAR]

(레이다 역사)

RADAR는 Radio Detection And Ranging의 앞글자를 따서 만든 용어이며 1903년 독일에서 먼 거리에 있는 배의 존재 유무를 확인하기 위해 최초로 시험되었다.

초기의 레이다는 CW(Continuous Wave)를 사용하였고 표적의 유무는 알 수 있었으나 표적의 거리는 알 수 없었다.

표적의 거리는 전자파 송출을 변조시켜 짧은 펄스 열로 만들어 사용함으로써 탐지할 수 있게 되었는데 송출된 펄스가 표적에 맞고 되돌아온 반사파 신호와의 시간차를 계산하여 거리를 계산할 수 있게 된 것이다.

 

1930년도부터 펄스 레이다 개발이 시작되었고 1935년에 영국은 여러 개의 레이다 스테이션을 만들어 이를 통해 독일 폭격기와 그 규모를 영국 조종사에게 제공할 수 있었다.

이를 Chain Home System 이라 부르며 최초의 통합 방공 시스템인 IADS(Integrated Air Defense System)이라 할 수 있다.

 

(레이다의 표적 판별)

레이다는 주야간 및 어떤 기후에서도 동작할 수 있다. 

그러나 사람의 눈과 비교 했을 때에 레이다는 다음의 두 가지가 다르다.

첫째는 사람은 표적의 크기, 색상, 마킹 조차도 구분할 수 있으나 레이다는 사람의 눈만큼의 해상도를 갖지 못한다.

두 번째는 사람의 눈은 다른 반사에 의한 영향을 받지 않으나 레이다는 원치 않는 clutter 신호에 의한 영향을 받는다.

RF는 메탈외에도 산과 나무, 빌딩 등에 반사를 일으키며 레이다는 이러한 원치 않는 clutter 속에서 표적 반사 신호를 구분해 내야 한다.

레이다가 표적을 판별하는 요소에는 거리, 속도, 각도가 포함된다. 

 

(1) Range

RF는 표적에 부딪혀 반사되어 돌아오고 이를 측정하여 표적의 거리를 구한다.

RF 에너지는 빛의 속도로 이동하며 신호가 표적까지 갔다가 되돌아 오므로 다음의 기본적인 레이다 거리 방정식으로 표적까지의 거리를 구할 수 있다.

 

Range(m) = (Measured Time X C(3x10⁸m/s)) ÷ 2

 

(2) Angle

레이다가 표적의 각도를 알아내기 위해서는 RF를 송수신할 때에 안테나를 표적 위치에 맞추어야 한다.

안테나가 북쪽을 기준으로 회전한다면 표적의 위치도 북쪽을 기준으로 상대적인 위치로 나타내어진다.

표적 각도의 정확도는 안테나의 수평 빔 폭에 따르며 빔폭이 좁을수록 각도 정확도가 높다

 

(3) Velocity

표적의 속도 성분 탐지는 CW 레이다와 펄스 도플러 레이다의 특징이기도 하다. 

레이다로부터 송신된 주파수는 움직이는 표적에 부딪쳐 반사되면서 주파수 성분이 바뀌게 된다. 

접근하는 표적에 부딪힌 주파수는 주파수가 높아지고 멀어지는 표적에 부딪힌 주파수는 낮아진다. 

이러한 현상을 도플러 영향(Doppler Effect)라고 하며 레이다는 이 도플러 주파수를 측정하여 표적의 속도를 알아내게 된다. 

(도플러 주파수를 이용한 레이다 속도 탐지)

 

펄스 도플러 레이다는 표적의 거리를 측정하면서 동시에 이 도플러 주파수를 측정하여 속도 성분을 측정할 수 있다.

 

(레이다 기본 구성)

기본적인 펄스 레이다는 아래의 그림과 같이 Transmitter와 Antenna, Receiver 그리고 Master Timer로 구성되어 있다고 볼 수 있다.

(기본적인 레이다의 구성)

송신기에서 만들어지고 증폭된 신호는 안테나를 통해 공간에 방사되고 표적에 반사되어 온 echo 신호는 다시 안테나로 수신되고 수신기에서 처리된다.

echo 신호가 원하는 표적에 맞고 돌아온 신호인 경우에 우리는 이것을 표적 신호라고 부르며 원치 않는 표적이나 땅, 산 등에 부딪힌 신호를 clutter라고 부른다.

 

 

 

안테나는 표적에 정확히 조준되어야 표적의 각도를 정확히 알아낼 수 있다.

Master Timer를 통해서는 외부로 방사된 신호의 시간과 echo 신호를 수신했을 때의 시간을 계산할 수 있게 하여 표적의 거리를 구할 수 있게 한다. 

수신기는 clutter 신호를 제거하고 도플러 처리를 하여 표적의 속도를 알아낼 수 있다.

 

(통합 방공 시스템(IADA, Integrated Air Defense System) 소개)

레이다를 이용한 방공 시스템의 주요 목적은 적 비행기의 접근 경고와 공격 및 교전이다.

 

(1) 조기 경보 레이다 시스템 (Early Warning Radar System)

적의 공격을 먼 거리에서 사전에 파악하기 위한 레이다를 조기 경보 레이다라고 한다.

이러한 레이다의 특징은 일반적으로 높은 송신 출력과 큰 안테나, 그리고 낮은 운용 주파수를 사용한다는 것이다.

이러한 특징들은 조기 경보 레이다에서 표적에 대한 높은 정확도를 갖는 것에는 제한을 준다. 

조기 경보 레이다는 방공 시스템에서 가장 첫 번째 선상에 있는 레이다 시스템이라 할 수 있다.

 

(다양한 형태의 조기 경보 레이다)

 

(2) 표적 교전을 위한 레이다 시스템

표적과의 교전을 위한 레이다 시스템으로는 GCI(Ground Control Intercept)와 Acquisition Radar, TTR(Target Tracking Radar), 그리고 AI(Airborne Intercept) 레이다가 있다.

 

- GCI 레이다 시스템

GCI 레이다는 표적 항공기의 거리와 방위 그리고 고도 정보를 정확하게 획득하여 목표물 파괴를 위해 AI 자산 쪽으로 정보를 제공하기 위해 사용된다. 

이러한 역할을 위해 경우에 따라서 GCI 레이다는 고도 탐지 레이다와 같이 배치되기도 한다. 

이 두 레이다 시스템을 통틀어 GCI 사이트라고 부르기도 한다.

 

위상 배열 안테나를 사용하고 도플러 프로세싱이 가능한 GCI 레이다는 표적에 대한 3차원 정보를 획득할 수 있다.

또한, GCI 레이다는 조기 경보 레이다의 역할을 대신 수행하기도 한다.

(GCI Radar Height Finder Radar)

 

- Acquisition 레이다 시스템

Acquisition 레이다 시스템은 GCI 레이다와 동일한 역할을 수행하며 획득된 정보를 지상의 추적 레이다인 TTR에 제공한다.

Acquisition 레이다는 일반적으로 조기 경보 레이다에 비해 탐지거리가 짧고 높은 주파수 대역에서 운용되며 높은 정확도의 표적 거리와 방위 정보를 획득하여 TTR에 제공한다.

Acquisition 레이다는 TTR 시스템과 별도로 구성되기도 하지만 통합된 형태로 구성되기도 한다.

 

- TTR 시스템

TTR 시스템은 정확하고 연속적인 표적 정보를 화력 통제 컴퓨터에 제공하는 역할을 수행한다.

화력 제어 컴퓨터는 이 정보를 이용하여 미사일이나 대공포(AAA)를 표적에 유도한다.

TTR은 표적 정보를 연속적으로 업데이트하기 위해 다양한 추적 기법을 사용한다.

또한 TTR은 일반적으로 높은 주파수 대역을 사용하고 좁은 빔폭을 갖는 안테나를 적용한다.

(Anti Aircraft Artillery TTR)

- AI 레이다 시스템

AI 레이다 시스템은 전투기에 탑재된 TTR을 의미한다.

이러한 AI 레이다 시스템의 특징은 높은 주파수 대역의 운용과 복잡한 컴퓨터 프로세싱, 그리고 정확한 표적 추적 능력이라 할 수 있다.

 

AI 레이다를 통해 획득한 정보로 공대공 미사일이나 기총을 운용한다.

그래서 Airborne Fire Control Radar 시스템이라고도 부른다.

TTR과 AI 레이다는 방동 시스템에 있어서는 가장 우선순위가 높은 위협이라 할 수 있다.

(다양한 종류의 AI 레이다)

 

(3) IADA(Integrated Air Defense System)

이러한 모든 레이다 시스템은 어떤 지역이나 국가의 영공을 방어하기 위해 배치된다. 

이러한 레이다 시스템들이 통합되어 명령과 제어가 가능한 것을 C2(Command and Control) 구조라 하며 IADS를 구성한다. 

C2 구조는 조기 경보 레이다로부터 위협을 탐지하고 명령에 의해 GCI, AI 자산 또는 Acquisition 레이다와 TTR을 활용하여 공중의 적과 교전을 수행한다.

 

(Integrated Air Defense System)