Next Generation Threat Radars - 전자기 보호 (2)

차세대 위협 레이다가 갖는 EP 기능 중 2부에서는 모노펄스 레이다와 chirped 레이다에 대해 알아본다.

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Monopulse Radar

모노펄스 레이다는 반사 펄스에 대한 도착 방향 정보를 알아낼 수 있다.

이것은 한편으로는 기만 재밍을 무력화할 수 있는 한 종류로 볼 수 있으므로 EP 기법으로 간주된다. 

Range gate pull-off나 cover pulse와 같은 재밍 기법은 거리를 기만한다.

그러나 이러한 재머들은 표적과 동일한 방향에서 강한 펄스를 생성하기 때문에 모노펄스 레이다에 의해서 각도 추적을 당하게 된다.

Inverse gain 재밍과 같은 각도 기만 재밍 기법은 레이다 추적 알고리즘을 기만하기 위해 강한 펄스를 생성하지만 역시 모노펄스 레이다에 의한 각도 추적이 가능하다.

 

일반적으로 각도 기만은 거리 기만 보다 더욱 강력하다.

레이다는 거리 재획득을 하는데 밀리초 정도의 시간이 걸리지만, 레이다 각도의 pull-off는 레이다 모드를 획득모드로 전환하게끔 만들 수 있다.

이는 각도를 다시 추적하는데 수 초의 시간이 걸리도록 만들 수 있다.

채프 구름이나 디코이는 실제의 추적 가능한 물체를 형성하기 때문에 모노펄스 레이다에 대해 동작이 잘 된다고 볼 수 있다.

 

모노펄스 레이다는 아래의 그림과 같이 다중 안테나 feed로부터 수신되는 신호의 전력 균형을 조절하여 표적의 방향으로 레이다 안테나를 움직인다.

(모노펄스 레이다는 다중의 안테나 feed를 가지고 있으며 이를 통해 안테나 방향을 조절한다.)

 

효과적인 각도 재밍은 레이다 안테나를 다른 방향으로 움직이게 만들며 이는 안테나 feed의 균형을 비틀음으로써 가능하다.

예를 들면, cross-polarization 재밍은 레이다가 표적의 cross-polarized Condon 로브 중 하나의 방향으로 움직이도록 만든다.

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Cross-Polarization Jamming

다음의 그림과 같이 파라볼릭 접시 안테나의 우측 상방에 수직 편파의 신호가 수신되었다고 가정한다.

(파라볼릭 접시 안테나의 전방 형상으로인해 90° 편파가 변형된 신호를 feed로 보낸다.)

 

이 접시 안테나의 전방 형상은 약한 수평 편파의 반사 신호를 안테나의 feed 쪽으로 보내게 되는데 그 이유는 접시 안테나의 이 부분이 신호 편파에 대해 약 45°를 이루고 있기 때문이며 이로 인해 Condon 로브 효과가 발생한다.

게다가 두 개의 리피터 cross-polarization 재머는 레이다 도착 신호의 편파를 탐지하고 cross-polarized 응답 신호를 생성한다.

 

(레이다 신호의 편파를 탐지하고 적절하게 편파를 조절된 재밍 신호를 생성한다.)

 

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Anti-Cross-Polarization

레이다가 cross-polarized 신호에 대한 감도를 줄이거나 Condon 로드에 대한 감도를 줄이는 것을 anti-cross-polarization EP 기법이라고 한다. 

다음의 그림처럼 cross-polarization 격리가 된 레이다는 매우 작은 Condon 로브를 갖는다.

(레이다 안테나 형상에 따른 Condon 로브 강도)

큰 파라볼릭 표면에 레이다 안테나 반사체가 작은 경우는 feed가 반사체 면적 대비 반사체로부터 멀리 떨어지게 되고 반사체는 작은 전방 형상을 갖는다 (낮은 Condon 로브).

만약, 작은 파라볼릭 면적에 반사체가 큰 경우라면 feed는 비교적 반사체에 가깝게 위치하게 되고 반사체는 큰 전방 형상을 갖고 따라서 더 높은 Condon 로브를 갖는다.

만약 레이다 안테나가 평판 위상 배열 이라면 cross-polarized를 만드는 전방 형상이 없기 때문에 일반적으로 Condon 로브가 존재하지 않는다.

그러나 빔 재형성을 위해 안테나 배열 엘리먼트가 다른 이득을 갖게 되면 Condon 로브도 갖게 된다.

 

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Chirped Radar

펄스 압축(Pulse Compression)의 본래 목적은 거리 해상도를 향상하는 것이지만 만약 재머가 이 펄스 압축 기법 신호를 똑같이 흉내 내지 못한다면 이 펄스 압축 기법은 재머의 효과도를 떨어뜨릴 수 있다.

펄스 압축 기법 중 하나의 형태는 펄스의 선형 주파수 변조(LFMOP, Linear Frequency Modulation On Pulse)이며 chirp 이라고 부른다.

이 chirped 레이다는 각 펄스에서 선형적인 주파수 변조를 한다.

Chirped으로 부르는 이유는 어떤 수신기에서 이 신호를 수신할 때에 들리는 소리가 마치 새의 지저귐가 유사하기 때문이다. 

다음의 그림은 chirped 레이다의 블록도를 나타낸다.

(Chirped 신호는 수신 처리 과정에서 수신 펄스가 짧아진듯한 효과를 갖는다.)

 

일반적으로 장거리 획득 레이다는 충분한 신호 에너지를 위해 긴 펄스를 사용할 것으로 생각된다.

그러나 LFMOP는 더 짧은 거리의 추적 레이다에서 사용될 수 있다.

레이다 수신기에 들어온 반사 펄스는 압축 필터를 통과하게 된다.

이 필터는 주파수에 따라 지연을 변경한다. 필터의 슬롭은 펄스의 주파수 변조와 일치한다.

즉, 시간에 따른 주파수의 변화 곡선은 주파수에 따른 지연 커브와 동일하다.

이를 통해 각 펄스의 끝 부분까지 지연이 된 것과 같은 효과가 있으며 따라서 처리 후, 긴 펄스는 훨씬 짧은 펄스가 된다. 

 

[ 레이다 해상도 셀 ]

레이다의 해상도 셀은 레이다가 다중의 표적을 구분할 수 없는 지역이라 할 수 있다.

아래의 그림은 해상도 셀을 2차원적으로 나타낸 것이다. 

 

(레이다의 해상도 셀은 안테나의 빔폭과 LFMOP의 펄스 폭으로 결정된다.)

 

해상도 셀의 cross-range 영역은 레이다 안테나의 3-dB 빔폭으로 결정된다.

거리 해상도는 레이다의 펄스 폭에 의해 결정된다.

긴 펄스는 더 많은 에너지를 갖고 있지만 거리 해상도는 떨어진다.

그림에서 해상도 셀의 위쪽 어두운 영역은 LFMOP에 의해 거리 불확실성이 줄어든 영역을 나타낸다.

압축 필터를 통과한 후 짧아진 펄스는 거리 해상도를 향상한다.

거리 압축의 정도는 펄스폭의 역수에 대한 주파수 변조 거리의 비이다.

그러므로 10 us의 펄스에 2 MHz의 주파수 변조 거리는 20 정도 거리 해상도가 향상되었다고 할 수 있다.

 

[ 재밍에 대한 효과 ]

재밍에 대한 펄스 압축 레이다의 효과는 다음의 그림과 같다.

(정확한 주파수 슬롭으로 변조되지 않은 재밍 신호는 J/S 비가 신호 압축 만큼 낮아진다.)

 

그림에서 검은색 펄스는 LFMOP가 적용된 레이다 신호이다.

즉, 압축 필터에 의해 압축된 신호이고 그림의 오른쪽에서 볼 수 있다.

회색의 펄스는 LFMOP가 적용되지 않은 재밍 신호이다.

그림의 오른쪽에서 회색의 신호를 보면 에너지가 펄스의 끝까지 올라오지 못하는 것을 볼 수 있다.

레이다의 신호처리는 오직 압축된 신호가 존재하는 시간에서만 처리하므로 압축되지 않은 재밍 펄스의 에너지는 압축 신호에 비해 매우 낮다.

이는 J/S 비를 낮추는 역할을 한다.

J/S의 감소율은 펄스의 압축 정도와 같다. 

만약 재밍 신호가 적절한 LFMOP를 적용한다면 이 EP 기법은 영향을 받는다.

재머는 DDS(Direct Digital Synthesis)나 DRFM(Digital RF Memory)를 사용하여 LFMOP를 일치시킬 수 있다.

 

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Barker Code

다음의 그림은 Barker Code 펄스 압축 레이다의 블록도이다.

BPSK(Binary Phase Shift Keyed) 변조로 레이다의 각 펄스를 변조하고 펄스의 압축은 반사 신호가 tapped Delay Line을 통과하면서 수행된다.

(모든 비트가 탭과 일치될 때 지연 선을 통해 많은 코드 펄스가 생성된다.)

 

그림의 윗부분은 최대 7 비트의 코드 예를 나타낸다.

레이다는 일반적으로 더욱 긴 코드를 사용한다.

이 코드는 1110010이며 여기서 0 비트는 1 비트동안 신호 위상에 대해 180° 변경된 것이다.

펄스가 tapped delay line을 통과하면서 shift resister를 정확히 채웠을 때를 제외하고 모든 탭의 신호 합에는 0 또는 1이 더해진다.

네 번째와 다섯 번째, 그리고 일곱 번째  탭은 180° 위상 변형을 하며 이를 통해 일치된 펄스로 모든 탭이 더해진다.

이로 인해 1 비트 동안 큰 출력이 발생한다.

펄스에 가해진 코드의 비트 수만큼 펄스는 압축되며 즉, 거리 해상도가 증가한다.   

예를 들면, 각 펄스에 31 비트의 코드가 있다면 거리 해상도는 31 만큼 향상된다. 

 

[ 재밍에 대한 효과 ]

다음의 그림을 보면, 검은색 펄스는 적절한 이진 코드가 가해진 레이다 신호이다.

즉, delay line에 의해 압축되어 그림의 오른쪽 검은색과 같게 된다. 

(정확하지 않은 이진 코드를 갖는 재밍 신호는 압축 정도에 따라 J/S 가 낮아진다.)

 

회색 펄스는 코드화되지 않은 재밍 신호이며 한 비트 동안의 에너지는 낮다.

LFMOP와 같이 디지털 코드 압축은 J/S를 낮춘다.

만약, 재머가 DRFM을 이용하여 적절한 이진 코드를 적용한다면, 이 EP 기법은 영향을 받을 수 있다.

 

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