[CHAPTER 3. RADAR SIGNAL CHARACTERISTICS]

레이다는 각각의 고유한 특성을 갖는 RF를 발생하고 이 고유한 특성은 다른 신호와 구분을 할 수 있게 해 줄 뿐만 아니라 레이다의 성능을 정의할 수도 있고 역으로 레이다 성능 제한에 대한 정의도 할 수 있다. 

 

펄스 폭(Pulse Width 또는 pulse duration), 펄스 반복 시간 (PRI, Pulse Repetition Interval), 펄스 반복 주파수(PRF, Pulse Repetition Frequency), 그리고 전력(Power)은 모두 레이다 신호의 특성이며 레이다의 송신기에 의해 결정된다. 

레이다 수신 시간, 휴지 시간 또는 회복 시간은 레이다 수신기의 특성이 된다.

이러한 레이다의 특성을 기술하는 용어를 이해하는 것은 레이다 운용을 이해하는데 매우 중요한 부분이다.

 

[펄스폭 (PW, Pulse Width)]

아래의 그림은 일반적인 펄스 레이다의 출력을 나타낸 것이다.

PW는 때때로 펄스 지속 시간인 PD(Pulse Duration)로도 불리며 송신기가 RF 에너지를 보내는 시간을 의미한다. 

PW는 마이크로초 단위로 측정되며 레이다의 해상도 능력과 관계되어 있다.

즉, PW는 거리 축 상에서 인접해 있는 두 표적 얼마큼 정확하게 구분할 수 있느냐의 능력과 관계되어 있다.

(일반적인 레이다 펄스 폭)

 

다음의 챕터에서 더 상세하게 설명하겠지만 간단히 얘기하면 레이다의 거리 해상도는 레이다 PW에 전파의 속도를 곱하고 이를 2로 나눈 것이다.

해상도의 값이 작을수록 해상도가 높은 것이며 즉, PW가 작을수록 해상도가 높다.

그러나 거리 해상도를 높이기 위해서 PW를 작게 만들면 그만큼 RF 에너지가 송출되는 양이 적어지게 되고 이는 탐지 거리에 영향을 준다.

그렇기 때문에 레이다는 펄스 압축(Pulse Compression) 기법을 사용하여 마치 좁은 PW를 사용하는 것처럼 거리 해상도는 높이면서 탐지 거리 성능은 유지할 수 있다.

최근의 레이다는 대부분 이 펄스 압축 기법을 적용하고 있다.

이에 대한 더욱 상세한 얘기는 레이다 신호 처리 분야로 조금 깊게 들어가므로 여기서 더는 얘기하지 않겠다.

 

[펄스 반복 시간 (PRT, Pulse Repetition Time or Pulse Recurrence Time)]

펄스 반속 시간 PRT는 하나의 송신 사이클이 완료되는 시간이며 하나의 RF 에너지 펄스가 시작되는 시간 부터 다음 펄스가 시작될 때까지의 시간을 의미한다.

PRT는 마이크로초 단위로 측정되며 펄스 반복 구간인 PRI와 같은 의미이다.

레이다의 최대 탐지 거리와 관계되어 있다.

 

[펄스 반복 주파수 (PRF, Pulse Repetition Frequency)]

펄스 레이다의 가장 중요한 특성 중 하나가 바로 이 PRF이다. 

PRF는 펄스들 또는 펄스 그룹이 송신되는 속도를 의미한다. 

PRF는 1초당 생성되는 펄스의 숫자이며 Hz로 표현된다. 

PRF는 PRI의 역수로 표현되기도 한다.

한 가지 주의할 점은 역시 Hz로 표현되는 레이다의 운영 주파수와 PRF를 헷갈리지 말아야 한다는 것이다.

이 둘은 레이다의 완전히 다른 특성들이다.

(고정 PRF의 레이다 펄스)

 

위의 그림과 같이 펄스 레이다 중 PRF를 변화시키지 않고 일정한 PRF로 운영하는 레이다를 고정 PRF 레이다라고 한다.

펄스 레이다 중에는 repeater 또는 동기화(Synchronous) 재머를 대비하여 전자 보호(EP, Electronic Protection)의 수단으로 PRF Stagger 나 PRF Jitter 기법을 적용하기도 한다.

 

(1) PRF Stagger

PRF Stagger는 PRI를 변화시키는 것이며 인접해 있는 PRI간에는 동일한 PRI를 갖지 않도록 한다.

서로 다른 PRI 생성 갯 수를 “position”이라고 부르며 아래의 그림은 Two-position Stagger를 나타낸 것이고 두 개의 PRI 값을 적용했다.

각 PRI 값은 300 마이크로초와 500 마이크로초 이다.

(Two-position PRF Stagger)

 

 

(2) PRF Jitter

PRF Jitter는 랜덤 한 PRF Stagger라 할 수 있다. 

그렇기 때문에 반복되는 PRI 값이 없이 계속 바뀐다.

PRF Jitter 역시 EP 기법 중 하나이며 동기 재머에 대항한 기법이다.

 

(PRF Jitter)

 

 

[레이다 수신기 특성]

PW, PRT, PRF는 모두 레이다 송신기의 특성이라 할 수 있다.

펄스 레이다의 수신기와 관계된 신호의 특성은 rest time과 recovery time, 그리고 listening time이 있으며 의미는 아래의 그림과 같다.

(기본적인 레이다 펄스)

 

(1) Rest Time

Rest Time은 송신된 펄스의 끝부터 다음 송신되는 펄스의 시작 부분 간의 시간이다.

이 시간은 레이다가 송신을 하지 않는 시간을 의미하며 마이크로초 단위로 측정된다.

 

(2) Recovery Time

Recovery Time(RT)는 송신이 끝난 직후 바로 이어지는 시간대를 말하며 레이다가 표적에 반사된 신호를 처리하지 못하는 구간을 의미한다.

RT는 송신기와 수신기간의 격리 정도와 duplexer의 효율에 따라 결정된다.

높은 출력의 송신기는 수신기에 영향을 주어 수신기를 포화상태로 만들 수 있으며 이 RT는 이러한 상황에서 회복되는 데에 필요한 시간이라 할 수 있다.

 

(3) Listening Time

Listening Time(LT)은 수신기가 표적에 반사된 신호를 처리할 수 있는 시간이다. 

LT는 RT의 끝부터 다음 펄스가 송신될 때까지의 시간이며 마이크로초 단위로 측정된다.

 

 

[Duty Cycle]

Duty Cycle 은 송신 사이클에서의 실제 송신 시간의 비를 말하며 수식은 다음과 같다.

(Duty Cycle 식)

 

CW(Continuous Wave) 레이다의 duty cycle은 100%이며 조기 경보 레이다의 경우는 약 1% 정도가 된다.

 

  

[최대 출력 (Peak Power)]

일반적으로 레이다의 출력은 최대 출력 또는 평균 출력으로 표현된다.

최대 출력은 각 펄스의 크기이며 와트나 메가와트로 측정된다.

일반적으로는 레이다에서 송출하는 전력이 레이다의 최대 탐지거리를 결정한다.

그러나 레이다 펄스에서 레이다의 최대 탐지 거리를 결정하는 것은 에너지이다. 

전력은 에너지 흐름의 비 이기 때문에 레이다 펄스의 에너지는 최대 전력에 레이다가 송신하는 시간 또는 펄스의 폭을 곱한 값이 된다.

(최대 전력(Peak Power)과 평균 전력(Average Power))

 

 

[평균 전력(Average Power)]

평균 전력은 펄스 반복 시간 동안 퍼져있는 전력을 말하며 공식은 위의 그림과 같이 최대 전력에 duty cycle을 곱한 것과 같다.

송출되는 에너지는 평균 전력에 PRT를 곱한것과 같다.

펄스들의 에너지는 탐지 거리를 결정하는 요소이기 때문에 평균 전력이나 평균 에너지는 최대 전력보다 더 나은 레이다의 탐지 거리 측정을 가능하게 한다.

평균 전력은 PRF를 증가시키거나 펄스폭의 증가, 최대 전력의 증가를 통해 높일 수 있다.

(레이다 전력과 에너지)

 

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[변조 (Modulation)]

RF 신호의 특성은 신호에 정보를 실어 송신하기 위해 바뀌어야 한다.

이러한 처리를 변조라고 부른다.

변조는 반송파(carrier wave)라 부르는 기본적인 RF 신호에 원하는 정보를 포함한 변조 신호와 합쳐지는 것을 말한다.

이렇게 만들어진 변조 파형이 송신기를 통해 송신된다.

 

(1) AM(Amplitude Modulation)

기본적인 변조 기법 중 하나는 크기 변조(AM, Amplitude Modulation)이다.

반송파는 크기가 변화하는 정보를 포함한 변조 신호와 합쳐져서 파형을 만들고 이 파형은 반송파와 동일한 주파수를 갖고 있지만 변조 신호의 정보에 따라 신호의 크기가 변화한다.

AM은 통신과 방송분야에서 널리 사용된다.

(크기 변조 신호)

 

(2) FMA(Frequency Modulation)

주파수 변조(FM, Frequency Modulation)는 반송파에 정보를 싣는 또 다른 방법 중 하나이다. 

주파수 변조는 반송파에 주파수가 변화하는 변조 신호를 합쳐 파형을 만들며 이 파형은 반송파와 동일한 신호 크기를 갖지만 변조 신호의 정보에 따라 주파수가 변화한다. 

FM은 통신과 상용 라디오에 많이 사용되며 또한 CW 레이다는 재밍에 대응하고 거리 정보를 획득하기 위해 FM 변조를 사용한다. 

(주파수 변조 신호)

(3) PM(Pulse Modulation) 

펄스 변조(PM, Pulse Modulation)는 AM 변조의 한 종류이며 펄스 레이다에서 짧으면서 강력한 펄스 에너지를 만들어내기 위해 사용한다.

PM은 반송파에 직사각형 펄스를 합친 것으로 마치 스위치와 같이 동작하여 송신기를 켜고 미리 설정된 시간만큼 유지한 다음 송신기를 끄는 동작을 한다.

이렇게 만들어진 파형은 표적과의 거리와 각도를 측정하는 레이다 펄스를 생성한다.

(펄스 변조 신호)