무선감시장치 '레이더' ①

레이더는 무선탐지와 거리측정(RAdio Detecting And Ranging)의 약어로 마이크로파(극초단파, 10cm~100cm 파장) 정도의

전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 무선감시

장치이기 때문에 군에서도 좀 더 정확하고 빠른 대응을 위해 레이더에 대한 중요성이 더욱 커지고 있는데요. 오늘은 레이더의

기본내용을, 다음시간에는 한국군이 운용하고 있는 레이더에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 레이더의 원리

레이더의 기본원리는 RADIO ENERGY(short pulse)가 지향성 안테나에서 발사되어 어느 목표물에 부딪히면 energy의 일부가

되돌아 나오는 반사파가 생기고 이 반사파를 수신, 검파하는 장비로 그 목표물에 대한 방위(bearing)를 알 수 있게 되는 원리이

다. 즉 전파를 목표물에 보내어 그 전파 energy의 반사파를 수신하고 전파의 직진성과 정속성을 이용하여 그 왕복시간과 안테나

의 지향특성에 의해 목표물의 위치(방위 및 거리)를 측정하는 장비인 것이다.

따라서 전파가 지상 안테나에서 전방향으로 발사되고 수신되는 것은 그 소요시간이 거리에 비례 하므로 목표물의 방위(bearing)

로 위치확인과 동시에 거리도 알 수 있게 되며 이는 거리측정시설(DME)의 원리에도 이용되고 있다. 또 음의 전파와 같이 360도

전방향으로 회전하고 있는 레이더 안테나가 있다면 전파가 도달되는 지역은 그 지역내의 모든 목표물이 레이더 탐지권(Radar

Coverage)에 속하게 되는 것이다.

목표물에서의 반사파는 보강된 dot로 목표물의 표시를 CRT(Cathode Ray Tube)라고 부르는 SCOPE상에 선명하게 나타내고

이 형태의 TARGET표시를 PPI(Plan Position Indicator)라고 한다. 레이더를 사용하면 어두운 밤이나 안개 그리고 비와 같은 사람

의 시계를 방해하는 환경에서도 주위의 지형이나 장애물을 뚜렷하게 관측할 수 있기 때문에 선박 또는 항공기의 유도등 안전

확보를 위한 기본시설이 되어 야간이나 악천후상에서도 눈으로 볼 수 없는 계기 기상상태하에서 극히 중요한 장비로 등장하였

다.

 

 

2. 레이더의 구성

레이더는 동력원 외에 일반적으로 다음과 같은 요소로 구성된다.
① 타이머(Timer)
변조기의 역할을 하는 이 부분은 레이더시스템의 중심부로서 다른 장비가 pulse의 송,수신을 정확히 담당할 수 있도록

전체 시스템을 운영한다.
② 송신기(Transmitter)
Radio송신기와 비슷하나 사용주파수밴드(UHF - Ka밴드)에 따라 용도의 차이가 다르며, 극히 단기간에  동작하는 것이 다르다.
③ 안테나(Antenna)
전파에너지의 송,수신을 담당하며 특히 송신은 Searching Light와 같이 Conical(원뿔) Beam으로 반사하는 Parabolic Dish

(포물면 접시) 형태이다.
④ 수신기(Receiver)
송신기와 마찬가지로 Radio의 수신기와 비슷하고 특히 안테나로 되돌아온 약한 echo(전파에너지)를 증폭하는 기능을 갖는다.
⑤ 표시기(Indicator)
레이더의 표시장치는 텔레비젼의 브라운관과 같은 기능인 CRT에 표시가 된다. 요즈음에는 디지털 기술의 발달로 일반 컴퓨터

모니터와 같은 형태의 장치에도 표시된다.

 

 

3. 항공레이더의 종류
① ARSR(Air Route Surveillance Radar) : 항공로 감시 레이더

항공로 감시 레이더는 장거리 영역 레이더로서, 안테나를 중심으로 반경 200NM이내의 공역에 있는 항공로의 항공기를 감시 및 관제를 하기 위한 것으로서, 관제공역이나 분담된 레이더 및 2차 감시레이더(SSR)정보를 비디오 맵(Map) 영상 과 조합시켜 레이더관제실에 정보를 제공하고, 여기에서 얻어진 정보에 따라 항공 관제사는 통신 제어장치를 통하여 항공기의 관제업무를 수행한다.   ARSR은 장거리 항로용 레이더이기 때문에 사용주파수는 대 기권 전파감쇠가 적은 비교적 낮은 주파수 사용이 바람직하 며, 또 방위 분해능, 경제성 및 송신 출력관의 입수가 용이한 점등으로 보아 대략 1.0 ∼ 2.0GHz 대역(L-Band)이 많이 사용 되고 있다.

 

항공로 감시레이더는 항공로에 있는 모든 항공기를 탐지하는 것이 본래의 목적이므로 가급적 멀고, 높은 곳에 이르기까지

탐지영역으로 정하는 것이 바람직하지만 안테나의 특성, 송신출력, 수신감도의 제약으로 인하여 보통 레이더의 유효 단면적은

15㎡ 에 대하여 탐지거리는 200NM, 고도 70,000ft, 앙각 30°까지를 전 방위에 걸쳐 탐지 가능한 범위로 하고 있다.

 

ARSR은 레이더의 출력이 클수록 성능이 좋으나 대체로 사용되는 송신관으로는 Klystron과 Magnetron이 많이 사용되고 있다. Klystron은 Magnetron에 비하여 주파수 안정도가 매우 우수하나 값이 비싼 단점도 있다. 현재에는 반도체의 기술의 발달로

Solid State방식의 반도체 방식도 많이 사용되고 있는 상황이다.

 

② 정밀진입레이더 (PAR : Precision Approach Radar)

민간항공분야에서의 정밀진입레이더(PAR)는 계기착륙표지 시설(ILS : Instrument Landing System)의 예비용으로 사용하 는 경우가 많다.   공항감시레이더(ASR)에 의하여 진입활주로 연장선상 약 10NM까지 유도된 항공기는 다시 정밀진입 레이더(PAR)에 의하여 활주로 착륙전 가까운 거리까지 관제 유도된다.

 

즉, PAR의 역할은 일정방향으로 향하고 있는 고도 및 방위면내에서 주사하는 2개의 안테나가 있는데 그 안테나의 움직임은 공간

을 입체적(AZ : 좌우, EL : 상하)으로 주사하여 항공기의 위치를 파악하는데 이때 최종 진입상태에 있는 항공기의 진입로 및 강하

로상 경로 기준점으로 부터의 위치를 AZ-EL(방위-고도) 지시기로 불리는 레이더 현시장치에 표시되는 정보를 무선전화를 통해

서 항공기에 전달하여 조종사로 하여금 항공기가 최적의 진입로와 강하로에 따라 착륙 및 이탈 할 수 있도록 유도하는 기능을

가졌다. 이러한 PAR의 역할은 민간용에서는 많이 쓰이지 않으나, 차량에 탑재한 경우 이동이 쉬운 장점등으로 인하여 용도에

따라 운용되는 경우도 있으며 장비의 송신 주파수는 9GHz이고, 송신 출력은 약 30Kw 정도이다.
 
근래에 와서는 공항(空港)을 진입하는 항공기의 착륙 경로에 대하여 이 PAR 대신에 전자파에 의한 강하로를 형성해서 이 강하로

에 따라 항공기를 직접 유도하는 계기착륙 시스템(Instnlment Landing System : ILS)이 주류를 이루고 있다. 군용의 경우에는

두 레이더를 하나로 묶어서 ASR과 PAR에 의한 착륙 유도를 GCA(ground controlled approach) Operaion이라 하고,  또 ASR과

PAR를 각각 분리 설치하여 항공기의 발착관제(發着管制)를 하는 것을 RAPCON(Radar APpproach CONtrol)이라고도 한다

 

③ 지상감시레이더(ASDE : Airport Surface Detection Equipment)

ASDE는 큰 규모의 공항에 있어 악천후시 또는 관제탑의 위치 가 활주로나 유도로등을 명료하게 눈으로 관측하기 곤란한 경우 공항 지표면의 교통량을 감시하고 지상을 주행중인 항공기와 차량등을 관제하는데 사용하는 레이더이다.   이 레이더는 분해력이 강한 성능을 가지고 활주로, 유도로에 있는 항공기, 차량등을 현시장치에 식별하여 표시할 수 있다.   레이더 안테나는 항상 공항 전면을 전망할 수 있는 관제탑옥 상에 설치하며 또한 현시장치는 관제탑내에 설치되어 있다.

 

요즘에는 항공기를 이용하는 사람들이 점점 많아짐에 따라 공항의 대규모화, 항공기의 발착회수 증대, 공항 활주로(滑走路) 부근

에서 교통의 복잡화 등으로 인하여 관제원의 운용에 의한 항공관제는 점점 곤란하여지고 있으며, 더욱이 야간이나 악천후에

의한 시계불량에서도 공항 지상만을 전담하여 탐지하는 레이더가 절대 필요하게 되었다. 이와같은 목적에 사용되는 레이더를

공항지상감시레이더(Airport Surface Detection Equipment : ASDE)라 한다.

 

이 레이더는 공항지상만을 탐지하기 때문에 단거리, 고분해능의 성능이 요구되며, 안테나 구조의 경량화, 정밀도 향상 및 기상의

악조건등 에서도 안테나를 보호하여 전천후로 사용할수 있도록 레이돔을 사용하는 것이 일반적인 추세이다.

김포공항 ASDE의 경우 주파수는 15.9GHz∼16.4GHZ, 안테나 회전수는 항공기등 지상이동물체의 신속한 탐지를 위하여 1초에

1회전(60RPM)을 하고 있으며, 항공기 충돌경보기능등 각종 첨단기능를 보유하고 있다.

 

④ 공항 도플러 기상레이더 (TDWR)

사람들은 시시각각 변화하는 비, 눈, 구름의 이동상황 그리고 돌풍이나 태풍의 진로등 기상정보를 정확하게 관측하고 예보하기

위해서는 이를 탐지할수 있는 장치가 필요하게 되었고 이러한 사고(思考)에서 탄생한 것이 기상레이더이다.

기상 레이더와 일반 탐색(探索)레이더의 차이점은 어떤 표적들을 탐지 목적으로 하느냐하는 기준인데 일반 레이더에서는 이러

한 기상표적들을 클러터로 처리하고 있으나 오히려 기상 레이더에서는 지면이나 항공기 등의 표적들을 클러터로 처리하기 때문

에 상반된 개념으로 이해해야 하겠다.

이와 같이 기상표적을 탐지하는 목적에 사용되는 레이더를 일반적으로 통틀어 기상레이더라 부르고 세부적으로 분류하면 목적에 따라 우량측정에 사용되는 레이더나 번개구름을 탐지하는 레이더등 여러 가지가 있다.

 

⑤ 공항감시 레이더(ASR)

공항감시 레이더는 공항주변의 공역에 있는 항공기의 진입 및 출발관제를 수행하는 것으로, 공항터미널에서 60∼70NM 이내에

있는 항공기의 거리 및 방위 정보에 의하여 항공기를 안전하게 이·착륙할 수 있도록 유도한다.

 

ASR 송신주파수는 미국이나 유럽에서는 L-Band로 사용하는 곳도 있으나 대부분 S-Band(2 ∼ 4 GHz)을 많이 사용하고 있다.

이것은 안테나의 회전수가 15rpm정도되어야 하는 제약으로 안테나의 크기를 줄이기 위하여 주파수를 높인 것이다.

ASR의 설치 높이는 평탄한 지표면에서 약 15m 정도 되어야 하며, 최고 높이는 40m 이하가 되어야 한다. ASR에 대한 국제민간항

공기구(ICAO) 규격(ANNEX-10)에 의하면 표적의 유효반사 단면적은 15m²의 항공기에 대하여 앙각은 0.5°∼ 30°사이 그리고 거리

는 25NM까지, 고도는 10,000ft까지의 공역을, 방위는 360°가 탐지가능 하도록 되어야 한다. 그러나 근년에 이르러 항공기의 고속화

와 터미널 관제공역의 확대로 인하여 거리는 60∼70NM까지, 고도는 25,000ft까지 탐지영역이 확대되었다.