재밍 신호에 대한 펄스 도플러 레이다의 특성에 대해 알아본다. 그전에 여기서는 펄스 도플러 레이다의 기본적인 특징을 먼저 알아본다.
Pulse Doppler Radar
펄스 도플러 레이다는 재밍이 있는 조건에서도 동작할 수 있게 하는 많은 특징들을 가지고 있다.
다음의 그림은 코히런트 특징을 보여주고 있다.
연속파(CW, Continous Wave)는 모듈레이터에 의해 펄스의 형태로 통과한다.
이는 모든 펄스는 동일 신호의 서로 다른 부분을 갖음을 의미하며 무수히 많은 펄스들 사이에서 한 신호의 주파수 측정을 가능하게 한다.
수신된 반사 펄스의 주파수를 송신했던 펄스의 주파수와 비교함으로써 표적 간의 거리 변화 차에 의해 발생되는 도플러 변화를 계산할 수 있다.
이를 통해 레이다에 대한 표적의 상대 속도를 구할 수 있다.
일반적으로 펄스 도플러 레이다의 펄스들은 코히런트하지 않은 레이다의 펄스보다 길기 때문에 적절한 거리 해상도를 얻기 위해 펄스 압축을 포함하는 것이 필요하다.
레이다 프로세서는 또한 송신 펄스와 수신 펄스간의 시간 지연을 측정함으로써 표적까지의 거리를 구한다.
도플러 레이다의 프로세서는 연속적인 필터 뱅크를 갖고 있다.
과거에는 이를 물리적인 필터로 구현했으나 요즘에는 소프트웨어로 구현한다.
FFT(Fast Fourier Transform) 소프트웨어는 스펙트럼을 보여주며 이는 채널라이져와 같은 특징을 갖는다.
채널의 수는 FFT에 입력되는 디지털 샘플수의 절반과 같다.
예를 들면, 100개의 샘플이 입력된다면 레이다 수신기의 전 대역폭에 걸쳐 50개의 채널이 만들어진다.
프로세서는 다음의 그림과 같이 주파수대 거리의 매트릭스를 갖는다.
매트릭스의 각 열은 주파수 채널 중 한 개의 출력 값을 의미한다.
매트릭스의 각 행은 펄스의 시간 지연을 의미한다.(즉, 표적까지의 거리)
빨간색의 셀은 수신된 한 펄스가 특정 주파수와 거리에 있음을 나타낸다.
각 주파수 열의 폭은 일반적으로 코히런트 처리 간격인 CPI(Coherent Processing Interval)의 역수 관계가 되며 각 거리 셀의 폭은 일반적으로 유효 대역폭에 빛의 속도를 곱하고 이를 반으로 나눈 값과 같다.
PRF Range 펄스 도플러 레이다
다음의 그림과 같이 펄스 도플러 레이다는 초당 반복되는 펄스의 속도인 펄스 반복 주파수(PRF)에 의해 구분되며 이는 펄스 반복 간격인 PRI의 역수와 같다.
즉, Low-PRF 레이다는 긴 PRI를 갖는다.
이는 먼 거리에 표적이 있을 때 레이다는 다음 펄스를 송신하기 전에 먼저 송신된 펄스의 수신을 받을 수 있음을 의미한다.
따라서 먼 거리의 표적에 대해 레이다 거리 모호성이 없다고 할 수 있다.
그러나 Low-PRF는 도플러 편이 측정에 있어서 많은 PRF가 반복되고 이는 주파수 모소성을 가져온다.
따라서 Low-PRF 펄스 도플러 레이다는 이상적으로는 acquisition 레이다 역할에 적합하다고 할 수 있다.
High-PRF 펄스 도플러 레이다는 매우 짧은 PRI를 갖고 첫 펄스의 반사가 수신되기 이전에 많은 펄스들이 송신되기 때문에 높은 거리 모호성을 갖는다.
그러나 도플러 편이의 측정에는 일반적으로 모호하지 않다.
이러한 종류의 레이다는 이상적으로는 공중 표적 추적 레이다로 적합하며 레이다 쪽으로 접근하는 매우 빠른 접근 속도는 큰 도플러 편이를 발생시키기 때문이다.
또한 이는 지상으로부터의 도플러 편이 주파수와 멀리 떨어진 매우 깨끗한 반사 신호의 특성을 갖는는다.
High PRF 레이다에서 표적의 거리를 측정하기 위해서는 주파수 변조 FM을 반드시 적용해야 한다. 다음의 그림은 그 방법을 나타낸다.
이 기능은 많은 다른 파형을 사용할 수 있다.
레이다와 표적 간을 빛의 속도로 왕복하면서 발생한 지연은 송신기가 경사 구간 후반에 높은 주파수로 브로드캐스팅하는 동안 경사 구간이 시작되는 낮은 주파수 부분을 의미한다.
특정 순간의 송신과 수신 간의 차이는 거리에 비례한다.
이러한 동일한 거리 계산 로직은 CW 레이다에서 사용된다.
Medium PRF 펄스 도플러 레이다 모드는 표적의 꼬리를 추적하는 교전 시에 사용된다.
표적과 레이다의 속도가 가까워짐에 따라 도플러 편이는 작아진다.
이러한 파형은 거리와 도플러 편이에 있어서 둘 다 모호성을 갖는다.
그러나 거리와 도플러 편이는 다중 PRF 신호를 분석함으로써 도출할 수 있다.
아래의 그림과 같이 blind zone이 있을 때 분석을 위해 PRF의 일부를 선택함으로써 매트릭스 상에 blind zone이 없는 영역에서 표적 위치를 선택하여 거리와 도플러 편이를 결정할 수 있다.
출처 : The Journal of Electromagnetic Dominance, January 2023
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