항공우주산업기술동향 13권 1호 (2015) pp. 160~165
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기술동향
최근 바이스태틱 레이더 기술동향
최지환*, 신한섭*, 김대오*, 김태형*1)
The Technical Trends of Recent Bistatic Radar
Choi, Jee-Hwan*, Shin, Han-Seop*, Kim, Dae-Oh*, Kim, Tae-Hyung*
ABSTRACT
Radar is equipment for acquiring the position information of the target with receiving the reflected
signal from the target. In spite of old technology that was developed long time ago, the study has not been
done into the bistatic radar because a realization is not easy. But with the active development of the
stealth technology and the computer technology, the implementation of the bistatic radar has become a
possibility and for this reason the bistatic radar has attracted the notice of the world. In this paper, concept
of the bistatic radar system is introduced including the geometry and radar cross section of the bistatic
radar. In addition, we introduce the tracking radars in NARO Space center considering the possibility of
applying the concept of the bistatic radar in future.
초 록
레이더는 표적으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 표적에 대한 위치정보를 획득하는 장비이다.
실제 구현의 어려움으로 인해 오래전에 개발된 기술임에도 불구하고 바이스태틱 레이더는 활발하게 연구가
이루어지지 않았다. 그러나 최근 스텔스(Stealth) 기술이 활발하게 발전되고 컴퓨터 기술의 개발에 따른 실제
구현이 가능해짐에 따라 바이스태틱 레이더가 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 바이스태틱 레이더 시
스템에 대해서 기술하고 이와 관련된 기하학적 구조(Geometry) 및 레이더 유효단면적(RCS)에 대해서 기술
하였다. 또한 나로우주센터에 설치되어 운용중인 추적레이더에 대한 간략한 설명과 향후 운용 방안에 대해서
간략하게 소개하였다.
Key Words : Radar(레이더), Monostatic(모노스태틱), Bistatic(바이스태틱), RCS(레이더 유효단면적)
* 최지환, 신한섭, 김대오, 김태형, 한국항공우주연구원 나로우주센터 비행안전기술실
choijh@kari.re.kr, hsshin@kari.re.kr, daeokim@kari.re.kr, thkim@kari.re.kr
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1. 서 론
레이더(Radar)는 표적을 향해서 전자파를 발사한
후 그 반사파를 측정하여 표적까지의 거리를 측정하
는 장비이다. 레이더는 송신기(Transmitter)와 수신기
(Receiver)의 분리 설치 유무에 따라 모노스태틱
(Monostatic) 레이더와 바이스태틱(Bistatic) 레이더로
구분될 수 있는 데, 모노스태틱 레이더는 송신기와 수
신기가 동일한 위치에 설치된 상태에서 표적을 탐지,
추적하는 레이더를 말하고, 바이스태틱 레이더는 송신
기와 수신기가 분리되어 설치된 상태에서 표적을 탐
지, 추적하는 레이더를 일컫는다. 일반적으로 레이더
라고 하면 주로 모노스태틱 레이더를 지칭하였고, 반
사된 신호가 큰 표적들에 대해 탐지하는 데는 문제가
없었다. 하지만, 최근 선진국들이 주도적으로 레이더
에 탐지되지 않는 스텔스(Stealth) 표적을 경쟁적으로
개발함에 따라 표적에 대한 탐지 및 인식이 어려움이
발생하고 있고 그에 대한 대안으로 바이스태틱 레이더
를 주목하고 있는 추세이다.
본 기고에서는 최근에 주목받고 있는 바이스태틱
레이더의 개념, 레이더 방정식 및 레이더 유효 단면적
(RCS: Radar Cross Section)을 기술하고, 최근 바이스
태틱 레이더의 기술동향을 살펴본 후 마지막으로 나
로우주센터의 추적레이더에 대해 간략하게 소개하고
자 한다.
2. 바이스태틱 레이더
2.1 바이스태틱 레이더의 개념
바이스태틱 레이더는 송신기와 수신기가 분리되어
있기 때문에 모노스태틱 구조에 비해 고유한 특징들을
갖는다. 수신기의 설치위치가 자유롭게 때문에 표적의
aspect 각도가 다양할 수 있고 작은 레이더 유효 단면
적을 갖는 표적의 탐지 가능성이 향상될 수 있다. 또한,
단일 송수신 안테나를 이용하는 모노스태틱 레이더에
서 송수신 신호의 분리를 위해 사용되어야 하는 송수
신용 초고주파 스위치나 듀플레서가 필요하지 않기 때
문에 송수신 경로 처음 단계에서 발생되는 RF 신호의
손실이 감소하게 되고, 모노스태틱 레이더에서 필요로
하는 송신 전력에 비해 상대적으로 작은 송신 전력이
요구된다. 일반적으로 스텔스 항공기는 전자기파를 송
신된 지점이 아닌 다른 방향으로 반사시킴으로서 레이
더로부터의 탐지를 방해한다. 바이스태틱 레이더는 이
러한 스텔스 항공기를 탐지하는 데 유리하다는 점 때
문에 많은 주목을 받아왔지만 송신기와 수신기가 분리
되어 운용되기 때문에 탐지 커버리지를 분석하거나 표
적의 위치를 탐지하는 기법이 모노스태틱 레이더와 다
르면서 더 복잡하다.
바이스태틱 레이더에서 기하학적 구조는 중요한 의
미를 가지고 있는 데,기하학적 구조는 레이더의 거리
방정식, 도플러 속도 방정식, 레이더 유효 단면적, 탐지
커버리지 등에 영향을 주게 된다.
그림 1은 바이스태틱 레이더의 기하학적 구조를 나
타낸 그림이다. 여기에서 Gt은 송신기의 안테나 이득,
r1은 송신기와 표적 사이의 거리, σb는 표적의 바이스
태틱 RCS, r2는 표적과 수신기 사이의 거리, Gr은 수신
기 안테나 이득을 의미한다.
그림
1. 바이스태틱 레이더의 기하학적 구조
그림 1에서 r1과 r2가 이루는 각을 바이스태틱 각도
라 하는 데, 이 각도에 의해서 레이더의 모드를 구분할
수 있다. 일반적으로 β가 20도보다 작으면 모노스태틱
레이더, 20도에서 145도 범위에 있으면 바이스태틱 레
이더라고 판단한다. 모노스태틱 레이더는 각도 β가 20
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도 이하이므로 송신기 및 수신기에서 표적 사이의 거
리(r1, r2)는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
여기에서 c는 전자기파의 속도이고 t는 송신기에서
전자기파가 송신되어 표적까지 도달된 후 다시 반사되
어 수신기에 도달한 시간을 나타낸다.
바이스태틱 레이더는 각도 β가 20도와 145도 사이
이므로 수신기에서 표적 사이의 거리는 다음의 식으로
나타낼 수 있다. 여기에서 L은 송신기와 수신기 간의
기준선 거리(Baseline Distance)를 나타낸다.
sin
일반적으로 바이스태틱 레이더 방정식은 다음의 식
으로 나타낼 수 있다.
·
·
·
여기에,
·
을 대입하면, 식은 다음과
같다.
위의 식에 사용된 각 파라미터들의 의미는 다음과
같다.
Ÿ
Pr : 수신된 신호 전력
Ÿ
Pt : 송신 출력
Ÿ
Gt : 송신 안테나 이득
Ÿ
r1 : 송신기와 표적 사이의 거리
Ÿ σB
: 표적의 바이스태틱 RCS
Ÿ
r2 : 표적과 수신기 사이의 거리
Ÿ
Gr : 수신 안테나 이득
Ÿ λ
: 레이더의 파장
Ÿ
Ae : 안테나의 유효 면적(Effective Area)
2.2 바이스태틱의 레이더 유효 단면적
레이더에서의 레이더 유효 단면적은 표적에 대한
중요한 정보들을 가지고 있기 때문에, 레이더 유효 단
면적을 해석함으로써 그런 중요 정보들을 추출해낼 수
있다. 표적의 중요한 정보에는 산란점과 공진 주파수
가 있으며, 이들은 표적 인식에 사용될 수 있는 특성들
이다. 산란점은 표적의 산란파 크기가 큰 점을 가리키
며, 공진 주파수란 표적의 물리적인 크기에 의해서 결
정되는 고유한 주파수를 말한다.
앞서 바이스태틱 레이더 방정식에서 입력되는 파라
미터인 바이스태틱 RCS는 표적의 크기, 모양, 재질, 자
세각 및 반송주파수(Carrier Frequency)의 함수 형태
로 일반적으로는 모노스태틱 레이더 유효 단면적보다
낮은 값을 갖는다.
일반적으로 낮은 주파수는 전방산란(Forward
Scatter)에 이용되기 더 용이한 특성을 가지는 데, 표적
의 탐지는 적절하게 넓은 각도 범위 내에서 수행된다.
수직 혹은 수평면에서 산란된 신호의 각도 폭(Angular
Width)은 다음식으로 나타낸다.
표적의 유효 단면적 A로 인해 바이스태틱 레이더
유효 단면적은 다음식으로 나타낸다.
그림 2는 거리(d)가 10m, 유효 단면적(A)이 일
때의 각도 폭(Angular Width)과 전방산란(Forward
Scatter) 레이더 유효 단면적의 변화를 나타낸 그림이
다. 그림 2에서 보면 주파수가 증가할수록 바이스태틱
레이더 유효 단면적은 점점 증가한다.
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그림
2. 주파수에 따른 RCS와 각도폭의 변화
2.3 바이스태틱 레이더의 연구 동향
바이스태틱 레이더는 모노스태틱 레이더가 개발되
기 이전부터 이미 존재했던 레이더 시스템이다. 그러
나 레이더 시스템으로서의 기능이 매우 제한적이었으
며 이후 송수신 스위칭 및 듀플레서 기술이 발전하면
서 모노스태틱 레이더가 이를 대체하였다.
1980년대에 접어들어 레이더 탐지를 피할 수 있는
스텔스 기술이 개발되면서 스텔스 기능이 있는 표적을
탐지할 수 있는 기술로 바이스태틱 레이더가 다시 조
명을 받게 되었다. 바이스태틱 레이더 시스템은 수동
형 수신부를 이용한 다양한 군사적 응용기술과 모노스
태틱 기하학적 구조의 한계를 저피탐 표적에 대한 탐
지뿐만 아니라 수동형 수신부를 이용한 다양한 군사적
응용기술과 모노스태틱 기하학적 구조의 한계를 극복
할 수 있는 차별화된 장점을 제공할 수 있어 현재 다양
한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 송수신기의
물리적 이격으로 인해 수신신호전력, 레인지 해상도,
도플러, 클러터 등이 모노스태틱 환경과는 달라 복잡
하고 송수신기간 동기화 등 다양한 문제를 해결해야
레이더의 기능을 달성할 수 있다는 단점도 존재한다.
최근 바이스태틱 레이더를 이용한 TV 방송 송신기,
SAR 영상 획득 및 표적 구분, 항공 레이다, 침입 감지
센서 등 여러 분야에 걸쳐 바이스태틱 레이더가 활발
히 연구되고 있다.
ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar) 영상은
레이더의 수신 신호를 이용하여 표적의 산란점 위치와
크기를 2차원 평면에 나타낸 것이다. ISAR 영상을 분
석하여 표적의 특징을 알 수 있기 때문에, 적 표적의 구
분에 영상을 이용할 수 있어 군사적으로 중요한 역할
을 담당한다. ISAR 영상은 일반적으로 모노스태틱 레
이더를 이용하여 생성한다. 모노스태틱 레이더는 한
대의 레이더가 송신기와 수신기의 역할을 동시에 수행
하며, 이를 이용한 ISAR 영상 생성 기술은 지난 수십
년 동안 국내외에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러
나 모노스태틱 레이더를 이용한 ISAR 영상 생성은 레
이더의 LOS (Line of Sight) 방향으로 진행하는 표적에
대하여 LOS의 수직방향으로 충분한 해상도를 가진 영
상을 얻기 힘들다. 또한 스텔스 기능을 탑재한 표적의
영상을 얻기 어렵다. 바이스태틱 레이더를 이용할 경
우 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 이러한 모노스태
틱 ISAR 영상의 단점을 보완하기 위해 바이스태틱
ISAR 영상은 2000년대 중반 이후 연구되기 시작하였
으나 아직까지 모노스태틱 ISAR에 비해 많은 연구가
진행되어 있지는 않다. 현재 이루어지고 있는 바이스
태틱 ISAR 연구 분야는 바이스태틱 신호 모델링, 송신
기와 수신기의 신호 동기화, 바이스태틱 ISAR 영상 투
과 평면 등이 있다.
3. 나로우주센터 추적레이더
나로우주센터에는 발사체의 비행궤도를 정밀하게
측정하기 위해 추적레이더가 설치되어 운용되고 있다.
이 추적레이더는 스킨(Skin)과 비콘(Beacon) 모드로
운용이 가능하고, 스킨 모드에서는 최대 300Km, 비콘
모드에서는 최대 3,000Km까지 발사체를 추적하여
TSPI(Time Space Position Information) 정보를 획득
하게 된다. 그림 3은 나로우주센터 추적레이더의 시스
템 상세 블록도를 나타내었다.
발사 임무시 발사체 비행궤적의 추적시작부터 종료
시까지 연속적이고 안정적인 추적을 위하여 2대의 동
일한 추적레이더 시스템을 나로우주센터와 제주추적
소 각각 두 곳에 이중화하여 설치하여 운용하고 있고,
추적 실패 시에 대비하여 광학추적장비나 원격자료수
신장비로부터 획득한 TSPI Slaving 데이터를 발사통
제센터(MCC)로부터 실시간으로 제공받아 추적을 재
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항목
규격
주파수
§
C-Band: 5.3~5.8GHz
송신기
§
최대출력: 250KW
§
펄스폭: 0.5, 1, 4 μsec
§
PRF: 300~3,000Hz
수신기
§
중간주파수: 1,750MHz, 70MHz
§
잡음지수: 4dB
안테나
§
형태 및 이득: 4m, 43dBi
§
편파: 수직, 좌원편파, 우원편파
페데스탈
§
동작범위: 방위각 (360° 연속)
고도각 (-5°~+85°)
그림
3. 나로우주센터 추적레이더 시스템의 블록도
개할 수 있도록 구성되어 있다. 그림 4는 나로우주센터
추적레이더의 운용개념도를 나타내고 있다.
그림
4. 추적레이더 운용 개념도
나로우주센터와 제주추적소에 설치되어 운용중인
2대의 추적레이더는 추적 실패에 대비한 이중화 목적
으로 구성되어 있으며, 비콘 또는 스킨 모드 중 하나의
모드를 선택하여 운용하는 단일 모드 추적 개념이다.
나로호 발사 임무 시 2대의 추적레이더는 모두 비콘
모드로만 운용되었기 때문에 스킨 모드에서 바이스태
틱 레이더 개념을 적용해야 할 의미가 없었다. 하지만,
시험발사체와 한국형 발사체의 발사 임무에서는 비콘
모드와 스킨 모드를 동시에 운용하는 이중 모드 추적
방식을 적용하기 위한 추적레이더의 성능 개선을 추
진하고 있다. 이러한 이중 모드 추적 방식에서는 비콘
모드와 스킨 모드 각각의 추적 성능이 모두 중요하다.
스킨 모드에서 현재의 모노스태틱 레이더 방식으로
운용할 때 발사체의 비행자세 등의 원인으로 인해 낮
은 레이더 유효 단면적 측정 등에 기인한 추적 성능의
한계를 바이스태틱 레이더 방식을 적용하여 극복함으
로써 추적레이더의 스킨 추적 성능을 향상시킬 수 있
다. 다음의 표 1에는 추적레이더의 주요 특성을 나타
내었다.
표
1. 추적레이더 시스템의 주요 특성
4. 결 론
바이스태틱 레이더는 최근의 스텔스 기술의 발전에
따라 최근 많은 관심을 받고 있다. 바이스태틱 레이더
는 1950년 대 개발되었으나 기술적으로 복잡하여 컴퓨
터 기술의 발전에 따라 실제 구현이 가능하게 되었다.
나로우주센터와 제주추적소에 설치되어 있는 추적레
이더는 각각 독립적으로 2대의 레이더가 발사체의 비
행궤적을 추적하는 운용개념으로 설계되어 구축되어
운용 중이다. 발사 임무 시 발사체의 비행궤적에 따라
발사체의 자세변화로 인하여 모노스태틱 레이더 유효
단면적보다 수십 dB 큰 바이스태틱 레이더 유효 단면
적이 예상되고 이는 최대 추적거리의 향상으로 예상될
수 있다. 이를 위해 현재 나로우주센터에서는 위탁연
구과제를 통하여 추적레이더가 바이스태틱 레이더 환
경으로 변경될 때 발사체를 추적할 수 있는 성능이 어
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느 정도 향상될 수 있는 지에 대한 분석을 수행하고 있
다. 추후 분석된 결과에 따라 추적성능이 향상될 수 있
다면 계획하고 있는 추적레이더 시스템의 성능 업그레
이드 시 이를 반영하여 향후 발사 임무 시 적용할 수 있
을 것으로 예상된다.
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