이번에는 차세대 위협 레이다들의 특징에 대해 알아보며 주로 최신 레이다가 적용하고 있는 전자기 보호 기능에 대한 것이다.
위협 레이다의 발전 (Threat Radar Improvements)
지난 10년 동안 새로운 위협 개발에 많은 활동이 있었다.
새로운 위협들은 지난 수년 동안 무기 체계들을 성공적으로 대응했던 대응책을 극복하도록 설계되었다.
여기에는 기능이 더욱 많아진 무기와 레이다가 포함된다.
여기서는 이러한 위협 레이다들의 공개되지 않은 정보보다는 일반적인 관점에서 기술적인 부분에 대해 알아본다.
EW 관점에서는 다음에 대해 집중해서 알아볼 것이다.
- 더 이상 현실적이지 않는 EW 시스템과 전술은 무엇인가?
- 요구되는 새로운 EW 전술은 무엇인가?
- 요구되는 새로운 EW 시스템 기능은 무엇인가?
EW가 대응해야 하는 위협들에 중요한 변화가 있다는 것은 명백하다.
따라서 우리는 더이상 수십 년 동안 해왔던 방식으로 EW 운영을 할 수 없다.
- 미사일 사거리의 비약적인 증가 → Stand-off 재밍에 영향을 준다
- 위협 레이다의 전자기 보호(EP, Electronic Protection) 기능 → 새로운 장비와 전술을 요구한다.
- 새로운 무기의 hide, shoot, scoot 기능 발전 → 반응 시간의 감소
- 새로운 레이다의 유효방사출력(ERP, Effective Radiated Power) 증가 → J/S(Jamming-to-Signal)비 증가와 burn-through range 증가
- 레이다 신호처리의 비약적 발전 → EW 처리의 복잡성을 요구
- 전자적 조향 어레이를 이용한 위협 레이다 → EW 처리의 복잡성과 또한 높은 재밍 전력을 요구
수 년동안 무선 주파수 스펙트럼 EW 전술은 여러 가지로 바뀌어 왔다.
- Stand-off 재밍은 큰 도전 과제를 마주하게 되었다
- 자체호보 재밍은 home-on-Jam 무기에 의해 영향을 받게 되었다.
- Decoy와 다른 오프 보드 자산은 그 역할이 증가되었다.
- ES는 LPI 레이다에 의해 영향을 받게되었다.
여기서는 전자기 보호와 새로운 미사일의 기능, 새로운 위협 레이다의 파라미터등에 대해 알아볼 것이며 예측되는 위협의 업그레이드 특징과 어떻게 파라미터 값이 EW에 영향을 주는지 공부할 것이다.
순서는 다음과 같다.
- 전자기 보호
- SAM 업그레이드
- Acquisition 레이다 업그레이드
- AAA 업그레이드
- 새로운 EW 기법의 요구
레이다 전자기 보호 기법 (Radar Electronic Protection Techniques)
비록 EP(Electronic Protection)는 EW의 하위 분야 중 하나이지만 일반적으로 특정 EW 하드웨어에 포함되지 않기 때문에 ES나 EA와는 다르다고 할 수 있다.
이 보다는 적 재밍의 효과를 떨어뜨리기 위한 센서 시스템의 특징이라고 할 수 있다.
따라서 EP는 당신의 플랫폼을 보호하기 보다는 당신의 센서를 보호하는 것이라 할 수 있다.
다음의 테이블은 이론적인 EP 기법과 해당하는 EA 기법을 나열한 것이다.
[전자기 보호 기법]
| Technique | Protect Against |
| Ultralow side lobes | Radar Protection and side-lobe Jamming |
| Side-lobe cancellation | Side-lobe noise Jamming |
| Side-lobe blanking | Side-lobe pulse Jamming |
| Anti-cross-polarization | Cross-polarization Jamming |
| Pulse compression | Decoys and noncoherent Jamming |
| Monopulse radar | Many deceptive Jamming techniques |
| Pulse doppler radar | Chaff and noncoherent Jamming |
| Leading-edge tracking | Range gate pull-off |
| Dicke-Fix | AGC Jamming |
| Burn-through modes | All types of Jamming |
| Frequency agility | All types of Jamming |
| PRF jitter | Range gate pull-in and cover pulses |
| Home-on-ian modes | All types of Jamming |
Ultrolow Side Lobes
아래의 그림은 일반적인 레이다 안테나 이득 패턴을 나타낸다.
이득의 각도에 따른 변화는 두 개의 뷰로 보여지는데 위 쪽의 뷰는 각도에 따른 이득의 polar 플롯 뷰이다.
아래쪽의 커브는 가로축이 보어사이트로부터의 각도이며 세로축은 이득을 나타낸다.
이 커브에서 보어사이트 이득과 첫 번째 사이드 로브 값이 정의된다.
보어사이트와 사이드 로브 이득은 dBi로 나타내며 상대적인 사이드 로브 수준은 데시벨로 표현된다.
이득 패턴은 일반적으로 주 빔의 보어사이트 이득으로 정의된다.
보어사이트는 안테나가 바라보고자 하는 지점의 방향으로 정의된다.
또한 이는 보통 안테나의 송신이나 수신에 있어서 최대 이득이 되는 방향이다.
이 이득 패턴은 보어사이트 근처에서 sine(x)/x의 패턴이다.
주빔의 양 끝에는 null이 있으며 다른 모든 방향으로 사이드로브가 존재한다.
로브 사이의 null은 사이드로브보다 훨씬 좁다.
Ultralow 사이드 로브에 대한 정의는 명확하게 없다.
단지 일반 안테나보다 훨씬 낮은 사이드 로브를 갖는다는 것을 의미한다.
- “Ordinary” 수준의 사이드 로브 : 주빔 이득 대비 13에서 30dB 낮으며 평균 사이드 로브 이득이 0에서 -5 dBi
- “Low” 수준의 사이드 로브 : 주빔 이득 대비 30에서 40dB 낮으며 평균 사이드 로브 이득이 -5에서 -20 dBi
- “Ultralow” 수준의 사이드 로브 : 주빔 이득 대비 40dB 이상 낮으며 평균 사이드 로브 이득이 -20 dBi 이하
EW Impact of Reduced Side-Lobe Level
아직 표적을 획득하지 못한 레이다의 존재를 RWR과 같은 수신기가 탐지하기 위해서는 반드시 안테나를 포함한 적절한 감도를 가지고 레이다의 사이드 로브 신호를 수신해야 한다.
이 경우에 수신기 감도는 신호의 방향을 결정하고 레이다 타입과 운영 모드를 결정할 수 있는 신호 분석을 지원할 정도의 신호 세기가 요구된다.
다음의 그림처럼 사이드 로브 탐지에 연관되는 ERP는 평균 사이드 로브 이득에 의해 증가되는 송신기의 출력이다.
신호는 거리의 제곱에 비례하여 줄어든다.
그러므로 10dB만큼 작은 사이드 로브는 탐지 거리에 있어서 10의 루트 한 만큼 줄어든다.
Stand-off 재밍은 일반적으로 레이다의 사이드 로브를 통해 수행한다.
다음의 그림에서 처럼 stand-off 재밍 대 신호 비는 재머와 레이다의 ERP와 레이다 표적까지의 거리(RT) 4 제곱과 재머에서 레이다까지의 거리(RJ) 제곱의 비, 그리고 레이다 안테나의 평균 사이드 로브 이득(GS)과 보어사이트 이득(GM)의 비로 표현된다.
따라서 만약 다른 변수들이 모두 동일하고 사이드 로브 이득이 10dB만큼 줄어들면 J/S를 만족하기 위해서 3.16 만큼 재밍의 거리가 줄어든다.
사이드 로브 제거 (Side-Lobe Cancellation)
다음의 그림에서처럼 SLC(Side-Lobe Canceller)는 레이다 안테나의 주요 사이드 로브 방향으로 들어오는 신호를 수신하는 부가적인(auxiliary) 안테나가 필요하다.
이 부가적인 안테나가 사이드로브에서 수신하는 신호의 크기는 주 안테나의 사이드 로브로 수신되는 신호보다 크다.
따라서 레이다는 사이드 로브 방향으로 들어오는 신호를 알아낼 수 있고 이를 분류해 낼 수 있게 된다.
이 기법은 또한 CSLC(Coherent Side-Lobe Cancellation)이라 불리는데 그 이유는 재밍 신호가 레이다 수신기로 들어와 코히런트 한 방법으로 제거되기 때문이다.
아래 그림은 부가적인 안테나로 들어온 재밍 신호가 180도 변형된 복제 신호를 만드는 것을 보여준다.
위상이 변경된 복제 신호를 만드는 과정에는 phase lock loop 회로가 필요하며 이를 통해 고품질의 위상 제어를 수행하고 (즉, 180°와 거의 동일) 이는 매우 좁은 루프 밴드폭을 갖는다.
넓은 루프 밴드폭을 가지면 응답 속도는 빠르지만 고품질의 lock을 위해서는 좁은 루프 대역폭을 가져야 하며 따라서 응답 속도는 그만큼 느려진다.
좁은 루프 대역폭은 연속적인 신호를 요구한다.
예를 들면, stand-off 잡음 재머에서 사용되는 잡음 변조 CW 신호 같은 것이 있겠다.
위상이 변형된 신호가 재밍 신호 위상의 180° 만큼 동일할수록 레이다 수신기로 유입되는 재밍 신호를 더 많이 제거할 수 있다.
제거되는 각 재밍 신호들은 별도의 구분된 안테나와 위상 변위 회로가 필요하다.
다음의 그림과 같이 두 개의 보조 안테나를 통해 두 개의 CW 사이드 로브 재머를 제거할 수 있다.
펄스 신호를 Fourier 변환(즉, 펄스 신호를 주파수 도메인에서 관찰)하면 다음의 그림과 같이 수많은 스펙트럴 라인을 볼 수 있다.
위 그림의 윗부분은 펄스 신호를 시간 도메인에서 보는 것이며 오실로스코프로 보는 그림과 같다.
그리고 아래 그림이 주파수 도메인에서 보는 펄스 신호의 모양이고 스펙트럼 분석기에서 보는 그림과 같다. 주 빔의 주파수 응답은 1/PW 만큼이 되며 여기서 PW는 시간 도메인에서 펄스의 폭이다.
또한, 스펙트럴 라인은 펄스 반복 주파수인 PRF 만큼 서로 떨어져 있다.
PRF = 1/PRI이며 PRI는 시간 도메인에서 펄스 반복 간격이다.
그렇기 때문에 사이드로브 제거기에 의해 보호받는 레이다에서 단일 펄스는 사이드 로브로 퍼져있게 되고 이는 잡음 재밍에 대해서 CSLC가 효율적이지 못하게 한다.
그래서 사이드 로브 재밍 잡음에 펄스 신호를 더해 주는 것이 적절하다.
Side-Lobe Blanking
SLB(Side-Lobe Blanking)는 사이드 로브 제거기와 유사하게 보조의 안테나를 사용하여 주 사이드 로브의 각도를 커버한다.
차이점은 사이드 로브 펄스 재밍의 효과를 줄이도록 하는 것이 목적이라는 것이다.
만약 펄스 신호가 레이다의 주 안테나에서 받는 것보다 더 강한 신호가 보조의 안테나에서 수신되면 레이다는 사이드 로브 재밍 신호가 있음을 인지하게 된다.
레이다는 이후 수신기의 입력을 차단(blanking)을 한다.
이러한 형태의 EP는 IFF(Identification Friend or Foe) 시스템과 같은 다른 펄스 신호 수신기에서 유용하게 적용될 수 있다.
이러한 기법의 문제점은 레이다가 사이드 로브에 펄스 신호가 존재하면 자신의 원래 표적 반사 신호도 수신할 수 없다는 점이다.
그렇기 때문에 재머는 cover pulse를 사용하여 표적 반사 신호를 받아야 하는 시점에 블랭킹을 하도록 만들어 레이다(또는 data link 또는 IFF)를 무력화시킨다.
Stand-off 재머가 사용하는 사이드 로브 재머는 표적의 위치에 있지 않기 때문에 적 레이다의 마이크로초 정도의 정확한 타이밍을 알 수 없게 된다.
그렇기 때문에 재밍 펄스를 정확한 표적 반사 펄스에 위치시킬 수 없다.
이는 stand-off 재머의 사이드 로브 cover pulse가 이러한 부정확한 시간적 타이밍을 모두 커버할 수 있을 만큼 충분히 길어져야 함을 의미한다.
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