요즘 대한민국에서는 KF-21 보라매 전투기와 레이더 기술에 대한 기사를 자주 접하게 된다. 원래 계획대로라면 미국에서 4대 핵심기술인 AESA 레이더, IRST(적외선 탐지 추적 장치), EO TGP(전자광학 표적 추적 장치), RF 재머에 대한 기술이전을 약속했지만 결국에는 약속이 지켜지지 않아서 독자 개발로 방향을 선회하고 결국 성공했다.
이들의 장비에서 공통으로 이용하는 기술이 레이더 기술이다. 현대 군사기술에서 가장 핵심적인 것이 레이더 기술이므로 레이더 기술을 발전이 없고서는 군사 강국으로 올라서기가 불가능할 것이다.
그렇다면 레이더라는 것은 무엇이고 그 원리는 무엇이며 어떠한 종류들이 있고 어느 분야에서 활용되는지 자세히 알아보도록 하자.
레이더란 무엇인가?
레이더(Radar)는 ‘Radio Detection And Ranging’의 약자로, 라디오 또는 마이크로웨이브 전파를 이용하여 물체의 위치, 속도, 방향 등을 탐지하고 측정하는 시스템이다.
레이더 시스템은 크게 발신기, 수신기, 안테나로 구성되며, 이러한 구성 요소들이 통합되어 물체의 존재와 그 특성을 파악한다.
레이더는 전파를 발사하는 발신기를 사용하여 전파를 주변 공간으로 보내고, 이 전파가 물체에 부딪히면, 일부 전파가 반사되어 레이더로 돌아오고 수신기에서 이 전파를 감지한다.
그리고 수신기에서 감지된 전파 정보를 처리하여 물체의 위치, 속도, 크기 등을 계산한다.
레이더는 다양한 형태와 용도로 개발되어 왔다. 예를 들어, 군사적 목적으로 사용되는 레이더는 적의 항공기나 미사일을 감지하고 추적하는 데 사용된다.
민간 분야에서는 기상 레이더가 폭풍, 강수량 등의 기상 현상을 관측하는 데 사용되며, 항공 교통 관제 및 선박 항해에서도 중요한 역할을 한다.
최근에는 자동차 분야에서도 레이더 기술이 적용되고 있다. 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)은 레이더를 사용하여 차량의 주변 환경을 감지하고, 충돌 방지, 차선 유지 등의 기능을 제공한다.
레이더 기술의 원리
레이더의 원리는 발신기에서 전자기파를 발사하여 물체에 부딪친다음 판사되어 돌아오는 전자기파를 탐지하여 위치, 속도, 크기 등을 측정하는 것이다. 이 과정은 다음과 같다.
레이더 시스템에서 발신기가 전파(대개 마이크로웨이브)를 발사한다.
물체와의 상호작용: 발사된 전파가 물체에 도달하면, 일부 전파가 물체에 의해 반사된다.
반사된 전파 수신: 이 반사된 전파는 레이더의 수신기에 의해 포착된다.
정보 분석: 수신된 전파의 정보(시간 지연, 주파수 변화, 강도 등)를 분석하여 물체의 위치, 속도, 방향 등을 결정한다.
레이더는 이러한 정보를 통해 물체의 거리(전파가 물체에 도달하고 돌아오는데 걸린 시간을 통해)와 속도(도플러 효과를 통한 주파수 변화를 분석하여)를 측정할 수 있다.
레이더에 파장이 긴 저주파를 사용하면 전파의 감쇄가 작고 먼 곳까지 탐지할 수가 있지만 정밀한 측정이 되지 않고, 반대로 파장이 짧은 고주파를 사용하면 공기중에 포함되는 수증기, 눈, 비 등에 흡수 또는 반사되기 쉽기 때문에 감쇄가 커서 먼 곳까지 탐지하지 못 할 수가 있다.
따라서 대공 레이더, 대지 레이더 등 원거리의 목표물을 빨리 발견할 필요성이 있는 경우에는 저주파의 전파를 사용하고 사격 관제 레이더 등 목표의 형태나 크기 등을 정밀하게 측정할 필요성이 있는 경우에는 고주파의 전파를 사용하는 것이 적합하다.
레이더의 구성 요소
레이더 시스템은 다양한 구성요소로 이루어져 있으며, 각각의 요소는 레이더의 기능과 성능에 중요한 역할을 한다. 주요 구성요소는 다음과 같다.
송신기(Transmitter)
송신기는 레이더가 작동하는 데 필요한 전파를 생성하여 주변으로 방출된다.
마그네트론: 고출력, 단파장 전파를 생성하며 주로 군사 및 항공 레이더에 사용된다.
트레블링 웨이브 튜브 (TWT): 넓은 대역폭과 높은 이득을 제공하여 항공 및 해상 레이더에 적합하다.
고체 상태 송신기: 높은 신뢰성과 긴 수명을 가지며, 다양한 레이더 시스템에 사용된다.
안테나(Antenna)
안테나는 송신기에서 생성된 전파를 방출하고, 반사된 전파를 수신한다. 안테나의 설계와 형태는 레이더의 탐지 범위와 정확도에 영향을 미친다.
파라볼릭 반사경 안테나: 전파를 특정 방향으로 집중시키고, 반사된 전파를 수집한다.
위상 배열 안테나 (Phased Array): 여러 소형 안테나를 배열하여 전파의 방향을 전자적으로 제어할 수 있다.
다이폴 안테나: 간단한 구조로, 광범위한 주파수 범위에서 사용된다.
수신기(Receiver)
수신기는 대상으로부터 반사되어 돌아온 전파를 수신하고, 이 정보를 분석하여 대상의 위치, 속도, 방향 등을 결정한다.
슈퍼헤테로다인 수신기: 가장 일반적인 형태로, 높은 감도와 선택성을 가진다.
다이렉트 컨버젼 수신기: 주파수 변환 과정이 간단하며, 주로 간단한 레이더 시스템에 사용된다.
디지털 수신기: 신호 처리가 디지털 방식으로 이루어져, 정확도가 높고 유연성이 좋다.
처리 장치(Processor): 처리 장치는 수신된 신호를 분석하여 레이더 데이터를 해석하고, 대상의 위치, 속도 등의 정보를 사용자에게 제공한다.
디스플레이(Display): 디스플레이는 처리 장치에서 해석된 데이터를 시각적 형태로 사용자에게 제공하여 레이더가 탐지한 대상의 정보를 쉽게 확인할 수 있게 해준다.
레이더의 종류
레이더 기술은 다양한 분야에서 활용되며, 그 종류도 여러 가지로 분류된다. 레이더의 분류 기준에는 여러 가지가 있는데, 주로 사용 목적, 파장의 종류, 신호 처리 방식에 따라 나눌 수 있다.
용도에 따른 분류
항공 레이더
항공 레이더는 항공기의 위치, 속도, 그리고 기타 필요한 정보를 탐지하고 추적하는 데 사용되는 기술이다.
원리: 항공 레이더는 전자기파(주로 UHF – Ka 밴드)를 발사하여, 이 전파가 항공기에 반사되어 돌아오는 것을 감지한다. 이를 통해 항공기의 위치와 속도를 측정할 수 있다.
용도: 항공 레이더는 공항에서 항공기의 이착륙을 관제하는 데 주로 사용된다. 또한 항공기 자체에도 설치되어 주변의 다른 항공기, 장애물 등을 탐지하는 데 사용된다.
기능: 항공 레이더는 항공기의 정확한 위치를 파악하여 안전한 비행 경로를 제공하고, 공중 충돌을 방지한다. 또한 날씨 조건과 같은 추가 정보도 제공할 수 있다.
기상 레이더
기상 레이더는 기상 현상을 감지하고 분석하는 데 사용되는 장치로, 주로 강수량, 폭풍의 위치 및 이동, 그리고 다른 기상 현상을 관측하는 데 사용된다.
작동 원리: 기상 레이더는 전파를 대기 중으로 발사하여, 이 전파가 비, 눈, 우박 등의 기상 현상에 의해 반사되어 돌아오는 것을 측정한다. 반사된 신호를 분석함으로써, 강수량과 그 형태를 파악할 수 있다.
탐지 기능: 레이더는 비단지 강수량만을 측정하는 것이 아니라, 강수의 형태(비, 눈, 우박 등)와 운동(풍향 및 풍속)에 대한 정보도 제공한다.
기술 발전: 현대의 기상 레이더는 매우 정교해졌으며, 고해상도 데이터를 제공하여 기상 예보의 정확도를 높인다. 또한, 광범위한 지역을 커버할 수 있는 능력도 갖추고 있다.
응용 분야: 기상 레이더는 일기 예보, 기상 경보 발령, 항공 및 해상 운송의 안전 관리 등 다양한 분야에서 활용된다.
파장에 따른 분류
긴 파장 레이더 (L,S 밴드)
긴 파장 레이더는 전자기파의 긴 파장을 사용하는 레이더 시스템이다.
파장과 감쇠: 긴 파장 레이더는 전자기파의 감쇠가 적어 멀리 있는 대상을 탐지하는 데 유리하다. 이러한 특성 때문에 광범위한 영역을 감시하거나 장거리 탐지에 적합하다.
해상도: 파장이 길수록 해상도가 낮아진다는 단점이 있다. 이는 더 세밀한 정보나 작은 대상의 탐지에는 제한적일 수 있다는 것을 의미한다.
적용 분야: 긴 파장 레이더는 주로 대기 중의 간섭이 적은 환경에서 사용되며, 군사용, 항공 감시, 해상 감시 등 다양한 분야에서 활용된다.
짧은 파장 레이더 (C,X,Ku 밴드)
짧은 파장 레이더는 고주파 대역의 전자기파를 사용하는 레이더 시스템이다.
해상도와 정밀도: 짧은 파장 레이더는 높은 해상도와 정밀한 탐지 능력을 가진다. 이는 작은 크기의 대상이나 세부적인 정보의 탐지에 유리하다.
감쇠와 영향: 고주파 레이더는 비, 눈, 안개와 같은 기상 조건에 영향을 더 많이 받는다. 따라서, 환경 조건에 따른 성능 변화가 클 수 있다.
적용 분야: 짧은 파장 레이더는 높은 해상도가 필요한 분야에서 널리 사용된다. 예를 들어, 차량용 레이더, 항공 감시, 군사적 정찰 등에 적용된다.
기술적 특성: 이러한 레이더는 더 짧은 파장(수 센티미터)을 사용하여 작은 물체의 탐지가 가능하며, 더 정교한 이미지화를 할 수 있다.
신호 처리 방식에 따른 분류
펄스 레이더
펄스 레이더는 물체의 위치 및 속도를 탐지하기 위해 짧은 전자파 펄스를 지속 시간 동안 발사하고, 반사되어 돌아오는 신호를 수신하는 레이더 시스템이다.
작동 원리: 펄스 레이더는 정해진 간격으로 전자파 펄스를 발사한다. 이 펄스가 목표물에 부딪혀 반사되어 돌아오면, 레이더는 반사된 신호를 수신하여 목표물의 거리를 계산한다.
거리 측정: 반사된 펄스의 도착 시간을 측정하여 목표물까지의 거리를 산출한다. 펄스가 돌아오는 시간을 통해 목표물의 위치를 정확하게 파악할 수 있다.
속도 탐지: 도플러 효과를 이용해 목표물의 속도도 측정할 수 있다. 이는 반사된 신호의 주파수 변화를 분석함으로써 이루어진다.
응용 분야: 펄스 레이더는 항공 감시, 해상 감시, 기상 관측, 군사 작전 등 다양한 분야에서 널리 사용된다.
연속파 레이더(CW 레이더)
연속 파 레이더(Continuous Wave Radar, CW 레이더)는 연속적인 전자파 신호를 사용하는 레이더 시스템이다.
작동 방식: CW 레이더는 휴지 시간 없이 지속적으로 전자파 신호를 발사한다. 이를 통해 목표물의 속도와 거리를 측정할 수 있다.
속도 측정: 연속 파 레이더는 주로 속도 측정에 사용된다. 반사된 신호의 주파수 변화(도플러 효과)를 분석함으로써 목표물의 속도를 측정한다.
응용 분야: 자동차 레이더, 항공 감시, 군사 감시 등 다양한 분야에서 사용된다. 속도 측정이 중요한 상황에서 특히 유용하다.
기술적 특성: CW 레이더는 신호처리 과정에서 다양한 파형을 사용할 수 있으며, 이를 통해 높은 정밀도의 속도 측정이 가능하다.
각각의 레이더 종류는 특정 상황에 최적화되어 있다. 예를 들어, 항공 레이더는 고도와 속도 정보가 중요하므로, 높은 정밀도와 빠른 응답 시간을 제공하는 기술을 사용한다. 반면, 기상 레이더는 광범위한 영역을 커버해야 하므로, 더 넓은 범위를 감지할 수 있는 기술이 필요하다.
KF-21 보라매 전투기의 4대 기술
AESA 레이더 (Active Electronically Scanned Array Radar): AESA 레이더는 여러 개의 소형 안테나 모듈을 사용하여 전자적으로 빔을 조종하는 레이더 시스템이다. 이 시스템은 여러 대상을 동시에 추적할 수 있으며, 간섭에 강하고 탐지 범위가 넓다.
IRST (Infrared Search and Track): IRST는 적외선 방사선을 이용해 대상을 탐지하고 추적하는 시스템이다. 이 장치는 열에너지를 감지하여 대상의 위치를 파악하므로, 전자적인 간섭에 영향을 받지 않는다.
EO TGP (Electro-Optical Targeting Pod): 전자 광학 표적 추적 장치(EO TGP)는 고해상도 카메라와 적외선 센서를 이용하여 먼 거리의 표적을 정밀하게 식별하고 추적한다. 이 장치는 특히 정밀 유도 무기의 목표 획득 및 추적에 유용 하다.
RF 재머 (Radio Frequency Jammer): RF 재머는 적의 레이더, 통신, 기타 전자 시스템을 방해하기 위해 설계된 장치이다. 이 장치는 특정 주파수의 전자파를 방출하여 적의 전자 장비를 교란시키거나 오작동하게 한다.
글을 마치며…
레이더는 전자기파를 사용하여 대상의 거리, 방향, 속도 등을 측정하는 기술이다. 기본 원리는 발사된 전자파가 목표물에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하는 것이다.
기술적 발전으로 여러 종류의 레이더가 개발되었으며, 이들은 각각의 특정 목적과 환경에 맞춰 설계되었다. 기상 레이더, 군사용 레이더, 항공 감시 레이더 등이 대표적이다.
각 레이더는 특화된 기능을 갖추고 있으며, 이는 항공 안전, 기상 예측, 군사 작전 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다.
결론적으로, 레이더 기술은 인류의 안전과 효율성 향상에 기여하고 있으며, 그 범위와 정밀도는 지속적인 연구와 발전을 통해 더욱 확장될 것이다.