미래 레이다 설계에 따른 ELINT 개발

다음은 ELINT 시스템 관련 전문 서적인 The Interception and Analysis of Radar Signals에서 최신의 레이다 개발 트렌드와 이에 대한 ELINT 수신기의 요구 기능에 대한 내용이다.

이 책은 2000년대 초반에 나왔기 때문에 일부 내용이 현재의 기술과는 맞지 않는 부분이 있으나, ELINT 시스템에 대한 전반적이면서도 매우 상세하게 공부할 수 있는 책이다.

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레이다 개발 트랜드

스텔스와 LPI에 대항하기 위해서 광대역과 초광대역이 레이다 설계는 트렌드 중 하나이다.
스텔스에 대항하기 위해서 낮은 RCS 표적을 탐지할 수 있는 새로운 기술을 사용한 레이다 개발이 이뤄지고 있다는 소식은 아직 없다.

대부분의 현대 레이다는 짧은 거리에서 스텔스 성능을 갖는 표적을 탐지하며 더 큰 전력을 통해 이를 개선할 수 있다. 
많은 공중 감시 레이다들은 서로 더욱 가까운 거리에서 동작하도록 수정되고 있고 새들이나 다른 클러터와 움직이는 작은 표적 간의 도플러를 통한 구분 능력을 향상하기 위해서 더 높은 PRF를 사용한다.
PRF는 블라인드 속도가 없도록 하기 위해서 burst 단위로 변화한다. 
현재의 레이다 수신기가 스텔스에 대응하기 위한 핵심은 짧은 거리에서 포화되지 않고 민감도를 유지하는 것이다.

이는 감도 시간 조절을 없애거나 수정이 필요함을 의미한다.

 

LPI 레이다가 최대 전력 기반의 단일 펄스 탐지를 할 수 있도록 설계된 현대의 ELINT와 ES/ESM 수신기로부터 탐지되는 것을 피하기 위한 방법은 최대 전력을 줄이고 듀티를 증가시키는 것이 추세이다.  

낮은 부엽을 갖는 것도 레이다가 탐지되지 않도록 하는 기술 중 중요한 부분이며 특히 대방사 미사일로부터 방어를 위해 중요하다. 
전력 조절과 대기감쇄보호 역시 LPI 기술로 고려되기도 하지만 탐색 레이다 측면에서의 효과는 미미하다. 
전력 조절은 고도측정 장치인 RALT와 몇몇 추적 시스템에 사용된다. 
대기 보호(Atmospheric shielding)는 레이다의 양방향 경로로 인해 사용이 제한된다.

레이다의 경로는 수신기가 레이다의 표적보다 두 배 이상의 거리에 있지 않는 한 수신기의 한 방향보다 감쇄가 더 클 수밖에 없다. 
물론 ELINT 수집기가 매우 높은 고도에 있다면 대기의 밀도가 작아서 대기 효과가 크게 제거된다.

ELINT 측면에서 도전적인 부분은 다음의 그림과 같이 높은 듀티로 송신되는 주파수 agile과 잡음과 같은 신호들이다.

(100% 듀티를 갖는 현대의 주파수 agile 레이다)

순시 대역폭은 일반적인 레이다의 대역폭을 넘지 못할 것이며 대부분의 응용분야에서 순시 대역폭은 500 MHz보다 작을 것이다.
레이다의 랜덤 한 펄스 압축 파형은 ELINT 수신기로 하여금 에너지 탐지 기술이 필수적이게 만들었다.

 

오늘날의 레이다는 일반적으로 모든 coherent integration 시간 동안 같은 펄스 압축 코드나 파형을 송신한다.
내일의 레이다는 아마도 하나의 Coherent Processing Interval(CPI)과 다음의 CPI에서 서로 다른 파형을 송신할 수 있을 것이다. 

 

광대역과 초광대역 레이다는 레이다가 사용하는 fractional 대역폭에 따라 정의된다.
F_high와 F_low는 레이다 대역폭의 상한과 하한의 3dB 지점을 말하며 여기서 fractional 대역폭인 FB(Fractional Bandwidth)는 다음과 같다.

(Fractional Bandwidth)

광대역 레이다는 FB가 10% 이상을 말하며 초광대역은 25% 이상이다. 
이러한 레이다는 표적에 향하는 에너지가 제한되기 때문에 장거리 UWB 레이다와 같은 것은 상상하기 어렵다.
이들의 짧은 탐지 거리로 인해 이러한 신호들은 짧은 거리에서 탐지하는 것이 가장 좋다. 
이러한 경우에 다른 무수한 신호로부터 신호를 분류해야 하는 필요성은 적어지고 이들의 높은 최대 전력이 짧은 거리에서는 비교적 탐지를 쉽게 한다.

[ 광대역 능동 적응 어레이 레이다 ]

안테나 개구면을 공유하는 개념은 매우 매력이 있다.

이러한 안테나는 하나의 어레이로 레이다와 통신 그리고 ELINT 기능을 제공할 수 있다.
안테나 개구면은 여러 부분으로 나뉘고 각 부분은 서로 다른 대역에서 동시에 다른 빔폭과 스캔 패턴을 가질 수 있다.
각각의 안테나 엘리먼트에는 프로세싱과 함께 각각의 송신기와 수신기가 요구되어 서로 다른 기능을 위해 다른 방법으로 동시에 통합된다. 
수 천 개의 능동형 엘리먼트를 갖는 완전한 적응형 어레이는 아직까지는 그 복잡성으로 인해 존재하지 않는다.

거의 실시간으로 엄청나게 많은 매트릭스를 계산할 방법이 없는 것이다. 
이러한 레이다 연구 영역을 STAP(Space Time Adaptive Processing)이라 부르며 주로 공중 레이다 분야에서 집중적으로 연구되고 있다. 

STAP의 분야 중 하나는 부엽 제거기이다.

그러나 부분적인 적응형 어레이는 가능하다.

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고출력 마이크로파 무기

민감한 수식기들에 피해를 줄 수 있는 만큼의 강한 전계를 만들어내는 High Power Microwave(HPM) 무기들이 개발되고 있다. 
이들 중 한 가지 방법은 매우 짧지만 높은 크기의 펄스 신호를 송신하는 것이다. 
이러한 무기를 설계하는 사람들은 기존의 레이다 제한점들을 고려할 필요가 없다.
치명 반경은 수 백 미터정도 되며 여기서 치명이란 단어는 전자기 장비가 피혜를 입을 수 있는 것을 의미한다.
테라와트급 전력의 dc 펄스는 일반적인 번개에 비해 10에서 1,000배 정도 강한 것이다.

 

그런데 ELINT 측면에서는 몇 가지 의문점들이 있다.
1. ELINT 수신기들은 이러한 전자 공격에 견딜 수 있도록 강건하게 만들 필요가 있는가?
2. 이러한 무기에서 나오는 마이크로파를 탐지하고 파라미터를 추출할 필요가 있는가?
3. 송신 데이터에서 사용되는 매우 좁은 폭의 광대역 신호와 유사한가?
4. 레이다 파형에서 사용하는 매우 좁은 폭의 광대역 신호와 유사한가?

사실, 이러한 높은 전력 밀도를 갖는 광대역의 신호는 ELINT 수신기에서는 쉽게 탐지할 수 있다. 
일반적은 광대역 라디오는 치명 거리보다 더 먼 거리에서 문턱 치를 쉽게 넘는 신호를 생성한다. 

그러나 풀어야 할 문제는 이러한 광대역의 낮은 듀티 펄스를 번개나 ignition 잡음, 또는 다른 형태의 광대역 간섭과 구분하는 것이다.
이를 위해서 주기적인 성분 검출을 위한 다중 펄스 데이터 수집이 필요할 수 있다.
또는 위치 탐지 시스템과 같이 다중의 ELINT 사이트에서 단일 펄스를 수집하여 방출원 위치를 알아내는 방법도 있을 것이다.

매우 짧은 펄스들을 사용하는 광대역 통신 신호는 미사일 유도 데이터나 ELINT 신호 환경의 다른 형태로 포함될 수 있다.
만약 오직 수신기만 알고 있고 ELINT에는 알려지지 않은 랜덤 한 펄스 간격이 데이터에 포함되어 있다면 이는 탐지하기가 매우 어렵다. 
짧은 펄스를 사용하는 광대역의 레이다 신호는 ELINT 커뮤니티에서는 문제가 되지 않는다.
게다가 매우 정밀한 거리 해상도를 위해 펄스폭이 좁아질수록 더 긴 펄스 지속을 갖는 것만큼의 표적으로부터 되돌아오는 에너지의 양이 필요하다. 
이는 송신되는 펄스의 크기가 세진다는 것이며 ELINT 입장에서는 탐지가 쉬워짐을 의미한다.

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인터셉션(Interception) 시스템 특성 및 기능

인터셉션 시스템 설계는 신호를 인터셉트하고 송신기의 형태를 인지하며 신호의 파라미터들을 측정하기 위한 기능들을 반영한다. 
상세한 파라미터들을 측정하기 위한 목적은 다음의 것들을 결정하기 위함이다.
- 레이다 설계의 기술적 특징
- 레이다의 성능
- 재밍이나 다른 공격을 위한 레이다의 약점

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인터셉션 시스템들의 특징은 다음의 표와 같다.

시스템 특성	Function
	Interception	Recognition	Measurement
Probability of Intercept	High	Moderate	Low
Sensitivity	High	Moderate	High
Dynamic Range	Moderate	Moderate	Large
Coverage Band	Wide	Moderate	Moderate
Analysis Bandwidth	Narrow	Moderate	Wide
Exotic Environment Performance	High	High	High
Dense Environment Performance	High	Moderate	Low
Single Pulse Performance	High	Moderate	Low
Multiple Simultaneous Signal Performance	High	Moderate	Low
Processor/Signal Sorter Requirement	High	Moderate	Low

 

일반적인 인터셉션 기능은 높은 감도와 넓은 동적 범위, 그리고 넓은 주파수 범위를 갖으며 이는 오직 신호의 존재 유무를 판단하기 위함이다.
인지(Recognitino) 기능은 만약 인터셉션 프로세스가 이미 방위 범위와 주파수 범위를 줄여주는 것을 허용했다면 수신기의 요구는 어느 정도 완화될 수 있다.
인지 기능은 기본적인 신호 파라미터(일반적으로 RF, PRI, PW, 스캔 범위)를 측정하며 정확도는 0.1에서 1% 정도이다. 
자연스럽게 특정한 변조 신호는 이 인지 처리에서 식별된다.

측정(Measurement) 기능에서 일반적으로 인터셉션 확률은 그리 높게 요구되지 않으며 측정을 위한 특정 신호만이 처리된다.
민감도는 상세한 측정을 위해 높은 SNR을 제공할 수 있도록 충분해야만 한다. 
동적 범위는 반드시 넓어야 하며 이를 통해 포화되지 않고 높은 SNR을 획득할 수 있으며 또한 스캐닝 동안 안테나 패턴에서의 널( Null)과 로브(Lobe)의 특징이 허용가능해야 한다. 
반대로 커버 대역은 신호의 반송에 정확히 맞춰진 만큼만 허용되지만, 분석을 위한 대역폭은 의도적이거나 그렇지 않은 다양한 주파수, 위상의 변화를 분석할 수 있을 만큼 넓어야 한다.

일반적으로 밀집한 환경은 지향성 안테나와 주파수 선별 특성으로 인해 완화될 수 있으며 따라서 측정을 위한 수신기는 많은 신호를 한 번에 수신할 필요는 없다.
마찬가지로 수신 처리기가 관심 영역 및 주파수 범위, 그리고 동적 범위를 관심 있는 신호에 맞춰 좁혀놨기 때문에 복잡한 신호 분류와 처리기를 적용할 필요는 없다. 

 

확실히 인터셉션 시스템은 이러한 모든 기능을 수행할 수 있지만 만약 이러한 기능을 동시에 모든 주파수와 방향에서 수행하려고 한다면 수많은 구성이 필요하고 복잡성이 매우 높아진다.

ELINT 수신기의 요구도를 기술하는 것은 자연스럽게 이 수신기가 운영될 신호 환경의 다양한 특징들을 고려하는 것으로 이어진다.
이것은 레이다 신호 변조와 인터셉터 위치의 지정학적 특징들에 대한 고려도 포함된다.
ELINT 시스템을 위한 가장 좋은 접근은 유연한 기능을 갖도록 하는 것이며 이는 상황에 맞게 인터셉션과 인지, 측정의 기능들을 적용하는 것이다.

 

다양한 지형성 및 무지향성 안테나와 다양한 편파, 여러 형태의 광대역, 협대역 수신기, 다양한 복조 및 아날로그-to-디지털 변환 기능들, 분석과 시현을 위한 많은 소프트웨어 패키지, 저장장치들이 필요하다.

 

 

출처 : ELINT, The Interception and Analysis of Radar Signals

 

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