SAR 레이더

광파 신호 즉 테라헤르츠 신호의 경우 구름, 안개, 연기 등에 영향을 받지만 마이크로파는 파장이 길기에 그러한 영향을 적게 받는다. 또한 영상 신호는 광파를 수동적으로 분석하기에 낮에만 분석이 가능한데 비해 레이더는 밤낮 모두 관측이 가능하다. 광파 신호는 대상물에서 반사되는 가시광 혹은 근적외선을 수신하여 신호 처리를 하지만, 레이더는 RF 신호를 대상물에 조사하고 그에서 반사되는 파형을 분석하여 대상물의 위치와 형태를 판별한다.

마이크로 파(RF,radio frequency) 신호는 상대적으로 주파수가 수십 GHz 이하로 낮고, 파장이 cm 대로 길지만, 때로는 THz 대, 파장 um 대의 테라헤르츠 파, 레이저를 목표물에 비추기도 한다. Lidar(light detection and Ranging)라고 부르며, 구글 자율 주행 차량이 전방 장애물을 찾을 때 사용한다. 현대의 자율 주행 차량은 여러 대의 카메라(vision), 차량용 레이더, 고가의 라이다 센서를 갖출 예정이다. 테슬라는 경제적인 이유로 카메라만으로 자율 주행하는 기술에 집중하고 있다.

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1988년 헤르츠는 전파가 물체에 반사됨을 증명한다. 인류 최초의 레이다는 1904년 독일의 Christian hulsmeir(휠스마이어)에 의해 발명된다. 헤르츠의 원리에 따라 멀리 떨어진 금속체를 찾아내는 기술이었다. 1920년대 일본인 물리학자 야기 히데츠쿠는 구조가 간단하면서 지향성이 우수한 초단파 어레이 안테나를 만든다. 정작 일본에서는 제대로 인정을 못받고 미국의 라디오 회사에 특허를 양도하여 미국에서 기술이 성숙된다. 어렸을 때, TV 신호를 잡느라 옥상에서 안테나 방향을 돌려본 경험이 있으면 아래 그림에 익숙할 것이다.

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1935년 영국 물리학자 와트(Robert Watson-Watt)는 레이다를 이용하여 비행기의 위치를 알아내는 특허를 발표한다. 1930년대, 폭격기가 전쟁에서 맹활약하고, 1937년에 프랭크 휘틀이 터보제트 엔진을 개발하면서 전투기의 성능이 비약적으로 발전한다. 이에 따라 레이다 기술도 비약적으로 진보한다. 기술 개발의 와중에, 레이더 전파에 맞은 주머니 안의 초콜릿이 녹은 것을 재미있게 여기던, 레이시온의 퍼시 스펜서는 특허를 출원하고 1947년 세계최초의 전자레인지가 출시된다.

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1930년대, 레이다는 공중이나 해상의 물체 뿐 아니라 지상 물체를 식별하는데도 이용된다. 2차 대전 중, 강력한 방공망 때문에 공습은 주로 밤에 진행된다. 그러나, 깜깜한 밤에 GPS도 없이, 정확한 타격 지점을 눈으로 찾는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 폭격지점이 보통 수십 km 오차가 나고 폭격 효과를 얻기 힘들었다. 이것을 해결하기 위하여 영국의 2 지점에서 독일 본토의 폭격 지점에 전파를 쏘고, 항공기에 탑재된 오실로스코프로 두 교차 지점을 찾아서 폭격하는 방법을 개발하지만, 지구가 둥글고 전파는 퍼지므로 통달 거리는 350km에 불과했다.

영국의 물리학자 보웬은 항공기 레이다가 지상에 반사될 때, 지형적 특성에 따라 반사 신호가 달라진다는 것을 발견하고, 항공기에서 직접 지상 목표물을, 즉 현재 아래에 빌딩, 숲, 수면이 있는지 판별하는 지상 스캔 레이다 H2S를 개발하여 타격 정확도를 올린다.

오늘날 그 기술은 더욱 발전되어 전파를 공중에서 지상으로 발사하고 반사파를 분석하여 지형을 분석하고 정밀한 지도를 만드는 것을 가능하게 한다. 그러한 레이다에는 RAR (real aperture radar)와 SAR(synthetic aperture radar)의 두 종류가 있다. RAR은 비행기에서 좁은각의 빔을 보내고 반사신호를 분석한다. 그 반면 SAR는 이동하면서 연속적으로 빔을 발사하고, 그 출력들을 종합적으로 분석하여 넓은 지역의 지형을 판독할 수 있는 첨단 레이다 방식이다.

RAR 안테나의 경우, 강한 지향성을 가진 포물선 안테나(parabolic antenna)를 사용하는데, 구경비(aperture ratio) AR=파장/구경 가 작을 수록 해상도가 올라가기에 해상도를 올리기 위해서는 전파의 파장을 짧게 하고 반경이 큰 안테나를 사용해야 한다. 하지만, 파장이 짧아지면 대기중 감쇄가 커지고, 반경이 크면 항공기 탑재가 어려워진다.

이를 해결하기 위하여 신호처리 기술을 이용하여 실제는 작은 안테나이지만 유효 안테나 반경을 크게 만든 SAR 안테나 기술을 적용한다. 작은 안테나를 이동하면서 목표물에 비추고 그 반사 신호를 해석하여 마치 아주 큰 하나의 가상 안테나로 목표물을 비춘 것 같은 효과(synthetic aperture)를 얻는다. 1951년 현재 록히드 마틴사의 전신인 Goodyear Aircraft Company의 Carl Wiley가 발명한 아이디어이다.

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SAR 영상 레이다는 1950년 Carl Wiley가 doppler beam sharpening 이론을 발표하면서 시작되어 1957년 군사 용도로 활용되기 시작한다. 1960년에는 전파 망원경으로 행성 표면 관찰에 이용되고, 1967년 파나마 지역의 지질 조사에 최초로 민간용으로 사용된다. 또한 1978년 인공위성 SEASAT에 탑재되어 L밴드 마이크로파로 지상 관측을 시작한 후, 수많은 국가들이 위성을 이용한 SAR 레이다 관측을 시작하고

한국도 2012년 다목적 실용위성(KOMPSAT, korean multipurpose satellite, 아리랑)에 X 밴드(1.2~5.3GHz) 레이다를 장착하여 1m~20m 해상도의 지상 관측을 시작한다. 2024년부터 발사될 군사위성의 다수는 SAR 위성이며, 이탈리아 TASI의 SAR 모듈을 그대로 사용할 예정이다.

SAR 레이다의 기본 동작은 일반적인 레이다와 동일하다. 단, SAR 레이다는 동기 복조 (coherent demodulation)를 하기에 I/Q 복조를 하여 복소 수신 신호를 만든다는 점이 차이가 있다. SAR 레이다는 공중을 향해서 쏘는 일반적인 레이다와 달리, 공중에서 지상을 향해서 전파를 발사하고 반사파를 분석한다. 아래는 일반적인 SAR 레이다 시스템의 구성도이다.

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비행체에 레이다를 달고 일정한 속도로 레이더 신호를 발사하고 반사파를 얻으면 아래와 같은 2차원적인 영상을 얻게 된다. SAR 위성은 고도 600 km에서 5미터 직경의 안테나를 사용하는데, 그 경우 빔 폭은 대략 0.35 도이다. 워낙 고도가 높기에 1도도 안되는 좁은 폭의 빔이지만, 지상 거리로는 수 km에 달한다. SAR 안테나를 통하여 가상적인 구경을 만들 수 있기에 요즘 나오는 정찰 위성들은 1 미터 이하의 해상도를 가진다. 전에 포스팅 한 데로, 한국은 내년부터 수십 개의 정찰위성을 계속 발사하여 북한의 핵시설을 샅샅이 관찰할 계획을 가지고 있다.

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