재밍으로부터 레이다를 보호하는 전자기 보호 기술 중 레이다에서 수신하는 신호의 에너지 측면에서 레이다의 취약점과 이를 극복하는 기술에 대한 내용입니다.
Anti-AGC 재밍
레이다의 동적 범위(Dynamic Range) 문제를 고려해 보자.
레이다의 동적 범위는 표적을 추적할 수 있는 신호의 강도를 의미한다.
먼 거리에 있는 아주 작은 크기의 표적으로부터 반사된 레이다 신호의 크기는 매우 작다.
반대로 가까운 거리에 있는 표적에 반사된 신호의 크기는 비교적 크다.
레이다는 신호 처리를 위해 반사된 표적 신호의 최적화가 필요하다.
그렇기 때문에 다음의 그림과 같은 자동 이득 조절기(AGC, Automatic Gain Control)를 통해 동적 범위를 수 dB 이상 높인다.
입력단에서 프로세서로 전달될 때 신호의 크기가 측정되고 그림과 같이 감쇠기가 있거나 이득 제어가 가능한 증폭기가 수신기의 초단(front end)에 들어간다.
감쇄기나 증폭기나 모두 프로세서로 들어가는 신호의 크기를 최적화하여 기능을 수행할 수 있게 한다.
만약 강한 크기의 재밍 신호가 있다면 이 신호는 AGC로 하여금 프로세서로 들어가는 신호의 크기를 줄이도록 만들며 따라서 프로세서는 그 기능을 할 수 없게 된다.
그렇기 때문에 레이다는 표적을 추적하지 못하게 된다.
이를 재머가 AGC를 “capture” 했다고 말한다.
다음의 그림은 Dicke fix 기능을 나타내며 AGC 재밍으로부터 레이다를 보호하는 역할을 할 수 있다.
펄스 레이다 신호는 광대역의 특성을 갖으며 그렇기 때문에 레이다 수신기의 초단의 밴드폭 역시 넓어야 한다.
Dicke fix에서 이 회로의 출력은 강한 재밍 신호 펄스의 전력을 줄인다.
리미터는 잡음 레벨로 맞춰져 있으며 리미터의 출력은 협대역 회로로 전달된다.
이는 재머가 레이다의 AGC를 “capture”하는 것을 막을 수 있으며 레이다로 하여금 동적 범위 넘어서 정상 동작을 수행하 수 있도록 해준다.
Burn-Through 모드
Burn-Through는 레이다가 재밍이 있는 상황에서도 표적 정보를 획득할 수 있을 때를 말한다.
즉, 재밍 신호가 있어도 레이다가 표적을 탐지할 수 있는 거리를 “Burn-Through Range”라 부른다.
여기에는 “self-protection”과 “stand-off”의 두 가지의 재밍 상황을 고려할 수 있다.
[ Self-Protection 재밍 ]
Self-protection 재밍은 레이다의 표적이 자체 보호를 위해 재머를 탑재하고 있는 경우이다.
Self-protection 재밍의 재밍 대 신호 비인 J/S는 다음과 같다.
J/S = ERPJ - ERPS + 71 + 20 Log R - 10 Log RCS
여기서, J/S는 dB로 표현되는 재밍대 신호 비이며,
ERPJ 는 dBm으로 표현되는 재머의 유효방사전력이며,
ERPS 는 dBm으로 표현되는 레이다의 유효방사전력이며,
R은 km로 표현되는 레이다와 표적 간의 거리이며,
RCS는 m2으로 표현되는 표적의 레이다 단면적이다.
다음의 그림과 같이, 재머를 갖고 있는 표적이 레이다로 접근함에 따라 재밍대 신호 비인 J/S는 감소한다.
재밍 신호를 나타내는 빨간색 선은 감소하는 거리에 제곱하여 증가하는 반면 표적 반사 신호인 파란색 선은 감소하는 거리의 네제곱에 비례하여 증가한다.
어떤 종류의 재밍은 burn-through 거리가 J/S가 0 dB일 때이다.
즉, 빨간색 선과 파란색 선이 교차하는 지점이다.
그러나 대부분의 재밍에서는 J/S가 양의 값을 가져야 한다.
Burn-through 거리는 재머가 더 이상 자신을 보호하지 못하는 거리이기도 하다.
계산 수식은 다음과 같다.
20 Log R = ERPS - ERPJ - 71 + 10 Log RCS + J/S (Required)
여기서 “J/S Required”는 재밍의 종류에 따라 달라진다.
[ Stand-off 재밍 ]
재머가 레이다의 표적과 별도로 존재할 때 이를 stand-off 재밍이라 부른다.
다음의 그림과 같이 stand-off 재밍에서 레이다는 표적을 바라보고 있고 재머는 그 외의 다른 위치에 있다.
이는 레이다는 표적의 반사 신호를 주빔(main beam)의 중앙으로 수신되는 반면 재머가 지향하고 있는 곳이 레이다 안테나의 주 빔이 아닌 부엽(side lobe) 임을 의미한다.
이 stand-off 재밍의 재밍대 신호 비는 다음의 수식과 같다.
J/S = ERPJ - ERPS + 71 + GS - GM - 20 Log RJ + 40 Log RT - 10 Log RCS
여기서, J/S는 dB로 표시되는 재밍대 신호 비이며,
ERPJ 는 dBm으로 표현되는 재머의 유효방사전력력이며,
ERPS 는 dBm으로 표현되는 레이다의 유효방사전력이며,
GS 는 레이다의 부엽 이득이며,
GM 는 레이다 안테나 주 빔의 중심 이득이며,
RJ 는 km로 표현되는 레이다와 재머 간의 거리이며,
RT 는 km로 표현되는 레이다와 표적 간의 거리이며,
RCS는 m2로 표현되는 표적의 레이다 단면적이다.
다음의 그림과 같이 표적이 레이다에 접근함에 따라 self-protection 재밍과 같이 수신되는 표적 신호의 크기는 감소하는 거리의 네제곱에 비례하여 증가한다.
그러나 재머는 계속 일정 위치에 머물러 있기 때문에 레이다가 수신하는 재밍 신호의 크기는 전 구간에서 일정한 값을 유지한다.
J/S 비는 교전이 진행됨에 따라 줄어든다.
다시 말해, J/S 비는 결국 재머가 표적을 보호하지 못하는 지점으로 줄어들게 된다.
만약 재머가 움직이는 플랫폼에 탑재되어 있다면, 레이다가 수신하는 재밍 신호의 크기는 변화할 수 있지만 재머의 전력과 거리가 적당하다면 stand-off 재밍의 효과를 계속해서 유지할 수 있다.
이러한 발생을 계산할 수 있는 수식은 다음과 같다.
40 Log RT = ERPS - ERPJ - 71 - GS + GM + 20 Log RJ + 10 Log RCS + J/S (Required)
여기서도 “J/S Required”는 재밍 기법에 따라 달라진다.
레이다 에너지 측면에서의 전자기 보호
레이다는 에너지의 크기로 동작하기 때문에, 재밍은 표적에 반사되는 신호의 전력과 비교하여 가능한 큰 에너지의 신호가 수신되는 것을 목표로 한다.
전자기 보호 측면에서 보면, 레이다의 송신 에너지를 증가하는 방법이 있다.
이는 유효방사전력을 증가시키거나 또는 레이다 신호의 duty factor를 증가시키는 방법이다.
레이다 전력은 운용 중 줄여야 하는 경우가 있는데 이는 주로 신호가 상대방에 탐지되는 확률을 줄이거나 전력의 낭비를 막기 위함이다.
그러나 재밍이 우려된다면 레이다의 ERP는 실제보다도 높여야 할 수 있다.
이를 통해 J/S를 줄여 레이다가 더욱 효과적이게 한다.
레이다의 수신 에너지는 또한 duty cycle을 높임으로써 증가시킬 수 있다.
이는 긴 펄스를 운용한다던가 아니면 큰 펄스 반복 주파수를 사용하는 것이다.
더 큰 duty cycle은 표적 반사신호 대 재밍 신호의 비를 증가시킬 수 있다.
출처 : The Journal of Electromagnetic Dominance, April 2023
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