레이더

레이더() 또는 레이다 또는 전파 탐지기(電波探知機)는 전파를 사용하여 해당 위치를 기준으로 물체의 거리(거리 측정), 방향(방위각 및 고도각), 시선속도를 결정하는 시스템이다. 이는 항공기, 선박, 우주선, 미사일, 모터 비클, 기상 형성물 및 지형을 탐지하고 추적하는 데 사용되는 전파 결정 방법이다. RADAR라는 용어는 1940년 미국 해군에 의해 "radio detection and ranging"(무선 탐지 및 거리 측정)의 두문자어로 만들어졌다. 이후 radar라는 용어는 영어와 다른 언어에서 일반 명사로 정착되면서 대문자 표기를 벗어나게 되었다.

레이더 시스템은 무선 스펙트럼 또는 마이크로파 영역의 전자기파를 생성하는 송신기, 송신 안테나, 수신 안테나(종종 송수신에 동일한 안테나가 사용됨), 그리고 물체의 특성을 결정하기 위한 수신기 및 신호 처리 장치로 구성된다. 송신기에서 나온 전파(펄스 또는 연속파)는 물체에 반사되어 수신기로 돌아오며, 물체의 위치와 속도에 대한 정보를 제공한다. 이 장치는 제2차 세계 대전 전후 기간에 여러 국가에서 군대용으로 비밀리에 개발되었다. 주요 발전 사항으로는 영국에서 개발된 자전관이 있으며, 이를 통해 미터 미만의 해상도를 가진 상대적으로 작은 시스템을 제작할 수 있게 되었다.

현대 레이더의 용도는 항공 및 지상 교통 관제, 레이더 천문학, 방공 시스템, 미사일 방어 체계, 지형지물과 다른 선박을 찾기 위한 해상 레이더, 항공기 충돌 방지 시스템, 해양 감시 시스템, 외계 감시 및 랑데부 시스템, 기상 강수 모니터링, 레이더 원격 탐사, 고도 측정 및 비행 제어 시스템, 유도 미사일 표적 탐지 시스템, 무인 자동차, 지질 관측을 위한 지표 투과 레이더 등 매우 다양하다. 현대의 첨단 레이더 시스템은 디지털 신호 처리와 기계 학습을 사용하며 매우 높은 노이즈 수준에서도 유용한 정보를 추출할 수 있다.

레이더와 유사한 다른 시스템들은 전자기 스펙트럼의 다른 영역을 이용한다. 한 예로 라이다가 있는데, 이는 전파 대신 레이저의 적외선을 주로 사용한다. 자율주행 차량의 등장과 함께, 레이더는 자동화된 플랫폼이 주변 환경을 모니터링하여 원치 않는 사고를 예방하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.

 역사 

 초기 실험 
일찍이 1886년에 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠는 전파가 고체 물체에서 반사될 수 있음을 보여주었다. 1895년 크론시타트의 러시아 제국 해군 학교 물리학 강사였던 알렉산드르 스테파노비치 포포프는 먼 곳의 번개 치는 것을 탐지하기 위해 코히러 관을 이용한 장치를 개발했다. 이듬해 그는 불꽃 간극 송신기를 추가했다. 1897년 발트해에서 두 선박 간의 통신을 위해 이 장비를 테스트하던 중, 그는 세 번째 선박의 통과로 인한 간섭 비트를 주목했다. 포포프는 보고서에서 이 현상이 물체를 탐지하는 데 사용될 수 있다고 썼지만, 그 관찰로 더 이상의 조치를 취하지는 않았다.

독일의 발명가 크리스티안 휠스마이어는 "멀리 있는 금속 물체의 존재"를 탐지하기 위해 전파를 처음으로 사용한 사람이었다. 1904년에 그는 짙은 안개 속에서 선박을 탐지할 수 있는 가능성을 입증했으나, 송신기로부터의 거리는 측정하지 못했다. 그는 1904년 4월에 탐지 장치에 대한 특허를 획득했고, 나중에는 선박까지의 거리를 추정하기 위한 관련 수정 사항에 대해 특허를 얻었다. 그는 또한 1904년 9월 23일에 텔레모빌로스코프(telemobiloscope)라고 부른 전체 레이더 시스템에 대해 영국 특허를 획득했다. 이는 50cm 파장에서 작동했으며 펄스 레이더 신호는 불꽃 간극을 통해 생성되었다. 그의 시스템은 이미 파라볼라 반사판이 있는 혼 안테나라는 고전적인 안테나 설정을 사용했으며 쾰른과 로테르담 항구에서 독일 군 관계자들에게 실용 테스트로 제시되었으나 거절당했다.

1915년 로버트 왓슨와트는 비행사들에게 뇌우에 대한 조기 경보를 제공하기 위해 무선 기술을 사용했으며, 1920년대에는 영국의 연구 기관을 이끌며 전리층 조사와 장거리 번개 탐지를 포함하여 무선 기술을 이용한 많은 발전을 이루어냈다. 번개 실험을 통해 왓슨와트는 단파 송신으로 연구를 돌리기 전에 무선 방향 탐지 사용의 전문가가 되었다. 이러한 연구에 적합한 수신기가 필요했던 그는 "신참"이었던 아놀드 프레데릭 윌킨스에게 사용 가능한 단파 장치에 대한 광범위한 검토를 지시했다. 윌킨스는 항공기가 머리 위로 날아갈 때 "페이딩" 효과(당시 간섭에 대한 일반적인 용어)에 대한 매뉴얼의 설명을 주목한 후 중앙우체국 모델을 선택했다.

1922년 포토맥강의 양쪽에 송신기와 수신기를 배치함으로써 미국 해군 연구원 A. 호이트 테일러와 레오 C. 영은 빔 경로를 통과하는 선박이 수신 신호를 간헐적으로 사라지게 한다는 것을 발견했다. 테일러는 이 현상이 시야가 확보되지 않을 때 선박의 존재를 탐지하는 데 사용될 수 있음을 시사하는 보고서를 제출했지만, 해군은 즉시 작업을 계속하지 않았다. 8년 후, 해군연구소(NRL)의 로렌스 A. 하일랜드는 통과하는 항공기에서 유사한 페이딩 효과를 관찰했다. 이 폭로는 특허 출원뿐만 아니라 당시 테일러와 영이 근무하던 NRL에서 이동하는 표적으로부터의 무선 에코 신호에 대한 추가적인 집중 연구를 수행하자는 제안으로 이어졌다.

마찬가지로 영국에서는 L. S. 알더가 1928년에 해군 레이더에 대한 비밀 임시 특허를 취득했다. W.A.S. 뷰트먼트와 P. E. 폴라드는 50cm(600MHz)에서 작동하고 펄스 변조를 사용하여 성공적인 실험실 결과를 낸 브레드보드 테스트 장치를 개발했다. 1931년 1월, 이 장치에 대한 기록이 영국 왕립 공병대가 관리하는 발명 장부에 기록되었다. 이것은 해안 방어에 사용되고 체인 홈 로우로서 체인 홈에 통합된 기술에 대한 영국 최초의 공식 기록이다.

 제2차 세계 대전 이전 
섬네일|upright=0.8|1930년대 후반 미국 해군연구소의 실험용 레이더 안테나 (1945년 촬영)
제2차 세계 대전 이전에 레이더 연구는 영국, 미국, 프랑스, 독일, 이탈리아, 일본, 소련, 그리고 네덜란드에서 수행되었다.

1934년 프랑스에서는 모리스 퐁트가 이끄는 Compagnie générale de la télégraphie sans fil(CSF) 연구 부서가 앙리 귀통, 실뱅 벨린, M. 위공과 함께 분할 양극 자전관에 대한 체계적인 연구를 거쳐 장애물 위치 측정 무선 장치를 개발하기 시작했으며, 그중 일부가 1935년 호화 여객선 노르망디에 설치되었다.

같은 기간에 소련의 군사 엔지니어 파벨 K. 오셰프코프는 레닌그라드 전기기술 연구소와 협력하여 수신기에서 3km 이내의 항공기를 탐지할 수 있는 실험 장치인 RAPID를 제작했다. 소련은 1939년에 최초의 양산 레이더인 RUS-1과 RUS-2 레두트(Redut)를 생산했지만, 오셰프코프의 체포와 이후 굴라크 형 집행으로 인해 추가 개발이 지연되었다. 전쟁 중에는 총 607개의 레두트 스테이션만이 생산되었다. 러시아 최초의 항공용 레이더인 Gneiss-2는 1943년 6월 Pe-2 급강하 폭격기에 실전 배치되었다. 1944년 말까지 230개 이상의 Gneiss-2 스테이션이 생산되었다. 그러나 프랑스와 소련의 시스템은 현대 레이더 시스템의 대명사인 완전한 성능을 제공하지 못하는 연속파 작동 방식이었다.

완전한 레이더는 펄스 시스템으로 진화했으며, 최초의 기초적인 장치는 1934년 12월 해군연구소에서 근무하던 미국의 로버트 M. 페이지에 의해 시연되었다. 이듬해 미국 육군은 밤에 해안포 탐조등을 조준하기 위해 원시적인 지대지 레이더를 성공적으로 테스트했다. 이 설계에 이어 1935년 5월 독일의 루돌프 쿤홀드와 GEMA사에 의해 시연된 펄스 시스템이 등장했고, 1935년 6월에는 영국의 로버트 왓슨와트가 이끄는 항공성 팀이 또 다른 시스템을 선보였다.

섬네일|left|로버트 왓슨와트와 그의 팀이 만든 최초의 실용 장치
1935년 왓슨와트는 독일의 무선 기반 살인광선에 대한 최근 보고서를 평가해 달라는 요청을 받고 이를 윌킨스에게 넘겼다. 윌킨스는 그 시스템이 기본적으로 불가능하다는 것을 보여주는 계산 결과를 가져왔다. 왓슨와트가 그런 시스템으로 무엇을 할 수 있느냐고 묻자, 윌킨스는 항공기가 무선 간섭을 일으킨다는 이전 보고서를 떠올렸다. 이 사실은 1935년 2월 26일의 다벤트리 실험으로 이어졌으며, 강력한 BBC 단파 송신기를 소스로 사용하고 폭격기가 사이트 주변을 비행하는 동안 현장에 설치된 GPO 수신기를 사용했다. 비행기가 명확하게 탐지되자 보급 및 연구 담당 위원인 휴 다우딩은 시스템의 잠재력에 깊은 인상을 받았으며 즉시 추가 운영 개발을 위한 자금이 제공되었다. 왓슨와트의 팀은 이 장치를 특허 GB593017로 등록했다.

섬네일|upright=0.65|영국 에식스주 그레이트 배도우에 있는 체인 홈 타워
섬네일|left|로버트 왓슨와트와 아놀드 윌킨스를 기리는 기념비
레이더 개발은 1936년 왓슨와트가 서포크주 펠릭스토 근처의 바우드세이 매너에 위치한 영국 항공성 산하의 새로운 기관인 바드시 연구소의 소장이 되면서 크게 확장되었다. 그곳에서의 작업은 1939년 제2차 세계 대전 발발에 맞춰 영국의 동부 및 남부 해안을 따라 "체인 홈"이라 불리는 항공기 탐지 및 추적 스테이션의 설계와 설치로 이어졌다. 이 시스템은 왕립 공군이 영국 본토 항공전에서 승리하는 데 도움이 된 중요한 사전 정보를 제공했다. 이 시스템이 없었다면 영국이 보유하지 못했던 상당수의 전투기가 신속하게 대응하기 위해 항상 공중에 떠 있어야 했을 것이다. 레이더는 적 항공기의 보고를 수집하고 대응을 조정하기 위한 "다우딩 체계"의 일부를 형성했다.

필요한 모든 자금과 개발 지원을 받은 팀은 1935년에 작동하는 레이더 시스템을 생산하고 배치를 시작했다. 1936년까지 최초의 5개 Chain Home (CH) 시스템이 가동되었으며, 1940년까지 북아일랜드를 포함한 영국 전역으로 확장되었다. 당시 기준으로도 CH는 투박했다. 지향성 안테나에서 방송하고 수신하는 대신 CH는 전방의 전체 영역을 조명하는 신호를 방송한 다음, 왓슨와트 고유의 무선 방향 탐지기 중 하나를 사용하여 반사된 에코의 방향을 결정했다. 이 사실은 CH 송신기가 경쟁 시스템보다 훨씬 더 강력해야 하고 더 좋은 안테나를 가져야 함을 의미했지만, 기존 기술을 사용하여 신속하게 도입할 수 있게 해주었다.

 제2차 세계 대전 중 

섬네일|영국의 동해안 체인 홈 레이더 운영자들
핵심적인 발전은 영국의 자전관 개발이었으며, 이를 통해 미터 미만의 해상도를 가진 상대적으로 작은 시스템을 제작할 수 있게 되었다. 영국은 1940년 티저드 사절단을 통해 이 기술을 미국과 공유했다.

1940년 4월, 파퓰러 사이언스는 방공에 관한 기사에서 왓슨와트 특허를 사용한 레이더 장치의 예를 보여주었다. 또한 1941년 하반기에는 Popular Mechanics에 한 미국 과학자가 영국의 동해안 조기 경보 시스템에 대해 추측하고 그것이 무엇이며 어떻게 작동하는지에 근접하게 쓴 기사가 실렸다. 왓슨와트는 일본의 진주만 공격 이후 1941년에 방공에 대한 조언을 위해 미국으로 파견되었다. 알프레드 리 루미스는 매사추세츠주 케임브리지의 매사추세츠 공과대학교에 비밀리에 MIT 방사선 연구소를 조직하여 1941~45년 동안 마이크로파 레이더 기술을 개발했다. 이후 1943년, 페이지는 대부분의 레이더 응용 분야에서 수년 동안 사용된 모노펄스 기술로 레이더를 크게 개선했다.

전쟁은 더 나은 해상도, 휴대성 및 더 많은 기능을 위한 연구를 촉진했으며, 여기에는 야간 전투기용의 소형 경량 세트(공중 차단 레이더)와 초계기용 세트(공대지 레이더), 그리고 RAF의 패스파인더가 사용한 Oboe와 같은 상호 보완적인 항법 시스템이 포함되었다.

 응용 분야 
섬네일|left|상업용 해상 레이더 안테나. 회전하는 안테나가 수직 부채꼴 빔을 방사한다.

레이더가 제공하는 정보에는 레이더 스캐너로부터 물체의 방위와 거리(따라서 위치)가 포함된다. 따라서 이러한 포지셔닝이 결정적인 역할을 하는 다양한 분야에서 사용된다. 레이더의 첫 번째 용도는 군사적 목적이었는데, 공중, 지상 및 해상 표적을 찾는 것이었다. 이는 민간 분야에서 항공기, 선박 및 자동차를 위한 응용 분야로 발전했다.

항공 분야에서 항공기는 경로에 있거나 접근하는 항공기 또는 다른 장애물을 경고하고, 기상 정보를 표시하며, 정확한 고도 판독값을 제공하는 레이더 장치를 장착할 수 있다. 항공기에 장착된 최초의 상업용 장치는 일부 유나이티드 항공 항공기에 장착된 1938년 벨 연구소 유닛이었다. 항공기는 레이더 지원 지상 통제 진입 시스템이 갖춰진 공항에서 안개 속에서도 착륙할 수 있는데, 이 시스템에서는 운영자가 정밀 접근 레이더 화면에서 비행기의 위치를 관찰하고 조종사에게 무선 착륙 지시를 내려 활주로에 대한 정의된 접근 경로를 유지하도록 한다. 군용 전투기는 일반적으로 적 항공기를 탐지하고 조준하기 위해 공대공 표적 레이더를 장착한다. 또한 더 큰 특수 군용 항공기는 광범위한 지역의 항공 교통을 관찰하고 전투기를 표적으로 유도하기 위해 강력한 조기경보 레이더를 탑재한다.

해상 레이더는 선박의 방위와 거리를 측정하여 다른 선박과의 충돌을 방지하고, 항해하며, 해안이나 섬, 부표, 등대선과 같은 다른 고정된 참조물의 범위 내에 있을 때 해상에서의 위치를 고정하는 데 사용된다. 항구에서는 분주한 수역에서 선박의 움직임을 모니터링하고 규제하기 위해 선박 교통 서비스 레이더 시스템이 사용된다.

기상학자들은 강수와 바람을 모니터링하기 위해 레이더를 사용한다. 이는 단기 일기 예보와 뇌우, 토네이도, 겨울 폭풍, 강수 유형 등과 같은 악천후를 감시하는 주요 도구가 되었다. 지질학자들은 지각의 구성을 매핑하기 위해 특수 지표 투과 레이더를 사용한다. 경찰은 도로에서 차량 속도를 모니터링하기 위해 레이더 건을 사용한다. 자동차 레이더는 부적절한 제동을 유발할 수 있는 정지된 도로변 물체를 무시하고 대신 이동하는 물체를 측정하여 다른 차량과의 충돌을 방지함으로써 적응형 크루즈 컨트롤 및 비상 제동에 사용된다. 지능형 교통 체계의 일부로서, 자동차 레이더 접근 방식을 반전시켜 이동하는 물체를 무시하고 고립된 차량, 장애물 및 파편을 탐지하기 위해 도로변에 고정 위치 정지 차량 탐지(SVD) 레이더가 설치된다. 소형 레이더 시스템은 사람의 움직임을 탐지하는 모션 센서로 사용된다. 예로는 수면 모니터링을 위한 호흡 패턴 탐지와 컴퓨터 상호 작용을 위한 손과 손가락 제스처 인식 탐지 등이 있다. 자동문 개폐, 조명 활성화 및 침입자 감지도 일반적이다.

 원리 
 레이더 신호 
섬네일|250px|13의 바커 코드를 보여주는 3D 도플러 레이더 스펙트럼

레이더 시스템에는 미리 정해진 방향으로 레이더 신호라고 알려진 전파를 방출하는 송신기가 있다. 이러한 신호가 물체에 닿으면 일반적으로 여러 방향으로 반사되거나 산란되지만, 일부는 흡수되어 표적 내부로 침투하기도 한다. 레이더 신호는 대부분의 금속, 바닷물, 젖은 지면과 같이 도전율이 상당한 재료에 특히 잘 반사된다. 이 덕분에 특정 상황에서 전파 고도계의 사용이 가능하다. 레이더 수신기를 향해 다시 반사되는 레이더 신호는 레이더 탐지를 가능하게 하는 바람직한 신호이다. 물체가 송신기를 향해 또는 송신기로부터 멀어지며 이동하는 경우, 도플러 효과로 인해 전파의 진동수에 약간의 변화가 생긴다.

레이더 수신기는 대개 송신기와 같은 위치에 있지만 항상 그런 것은 아니다. 수신 안테나에 포착된 반사 레이더 신호는 대개 매우 약하다. 이 신호들은 전자 증폭기에 의해 강화될 수 있다. 유용한 레이더 신호를 복구하기 위해 더 정교한 신호 처리 방법들도 사용된다.

전파가 통과하는 매질에 의한 전파의 약한 흡수는 레이더 장치가 상대적으로 먼 거리에서 물체를 탐지할 수 있게 해준다. 이 거리에서는 가시광선, 적외선 및 자외선과 같은 다른 전자기 파장은 너무 강하게 감쇠된다. 가시광선을 차단하는 안개, 구름, 비, 내리는 눈, 진눈깨비와 같은 기상 현상은 일반적으로 전파에 대해 투명하다. 수증기, 빗방울 또는 대기 가스(특히 산소)에 의해 흡수되거나 산란되는 특정 무선 주파수는 탐지가 목적이 아닌 한 레이더 설계 시 피한다.

 조명 

레이더는 태양이나 달의 빛, 또는 적외선(열)과 같이 표적 물체 자체에서 방출되는 전자기파보다는 자체 송신에 의존한다. 물체를 향해 인공 전파를 쏘는 이 과정을 조명(illumination)이라고 하며, 전파는 인간의 눈이나 광학 카메라에는 보이지 않는다.

 반사 

섬네일|밝기는 1960년 이 기상 레이더 이미지(허리케인 애비)에서와 같이 반사율을 나타낼 수 있다. 레이더의 주파수, 펄스 형태, 편파, 신호 처리 및 안테나가 관찰할 수 있는 것을 결정한다.

한 재료를 통해 이동하는 전자기파가 첫 번째 재료와 다른 유전 상수 또는 반자성 상수를 가진 다른 재료를 만나면, 파동은 재료 사이의 경계에서 반사되거나 산란된다. 이는 공기 중이나 진공 속의 고체 물체, 또는 물체와 그 주변 사이의 원자 밀도의 현저한 변화가 일반적으로 표면에서 레이더(무선) 파동을 산란시킨다는 것을 의미한다. 이는 금속 및 탄소 섬유와 같이 전기 전도성이 있는 재료에 특히 해당되어 레이더를 항공기 및 선박 탐지에 적합하게 만든다. 저항성 및 때로는 자기 성분을 포함하는 레이더 흡수 재료는 레이더 반사를 줄이기 위해(스텔스 기술) 군용 차량에 사용된다. 이는 밤에 눈에 띄지 않도록 무언가를 어두운 색으로 칠하는 것의 무선 버전과 같다.

레이더 파동은 전파의 크기(파장)와 표적의 모양에 따라 다양한 방식으로 산란된다. 파장이 표적의 크기보다 훨씬 짧으면 파동은 거울에 빛이 반사되는 방식과 유사하게 튕겨 나간다. 파장이 표적의 크기보다 훨씬 길면 반사가 잘 되지 않아 표적이 보이지 않을 수 있다. 저주파 레이더 기술은 표적의 식별이 아닌 탐지를 위해 공명에 의존한다. 이는 지구의 푸른 하늘과 붉은 노을을 만드는 효과인 레일리 산란으로 설명된다. 두 길이 척도가 비슷할 때는 공명이 발생할 수 있다. 초기 레이더는 표적보다 큰 매우 긴 파장을 사용하여 모호한 신호를 받았지만, 많은 현대 시스템은 빵 한 덩어리만큼 작은 물체도 이미지화할 수 있는 짧은 파장(몇 센티미터 이하)을 사용한다.

짧은 전파는 둥근 유리 조각의 반짝임과 유사한 방식으로 곡선과 모서리에서 반사된다. 짧은 파장에 대해 가장 반사가 잘 되는 표적은 반사 표면 사이에 90° 각도를 가지고 있다. 코너 반사기는 정육면체의 안쪽 모서리처럼 만나는 세 개의 평면으로 구성된다. 이 구조는 입구로 들어오는 파동을 소스로 직접 다시 반사한다. 이들은 탐지하기 어려운 물체를 탐지하기 쉽게 만들기 위해 레이더 반사기로 흔히 사용된다. 예를 들어 보트에 달린 코너 반사기는 충돌을 피하거나 구조 시 탐지 가능성을 높여준다. 같은 이유로 탐지를 피하려는 물체는 안쪽 모서리나 예상 탐지 방향에 수직인 표면과 가장자리를 갖지 않으며, 이는 "기묘하게" 보이는 스텔스기로 이어진다. 이러한 예방 조치는 특히 긴 파장에서 회절 때문에 반사를 완전히 제거하지는 못한다. 채프와 같은 전도성 재료의 반 파장 길이의 전선이나 스트립은 반사율이 매우 높지만 산란된 에너지를 소스로 직접 되돌리지는 않는다. 물체가 전파를 반사하거나 산란시키는 정도를 레이더 반사 면적이라고 한다.

 레이더 거리 방정식 
수신 안테나로 돌아오는 전력 Pr은 다음 방정식에 의해 주어진다.

여기서
Pt = 송신기 전력
Gt = 송신 안테나의 이득
Ar = 수신 안테나의 유효 구경(면적); 이는 로도 표현될 수 있으며, 여기서
 = 송신 파장
Gr = 수신 안테나 이득
σ = 표적의 레이더 반사 면적 또는 산란 계수
F = 패턴 전파 인자
Rt = 송신기에서 표적까지의 거리
Rr = 표적에서 수신기까지의 거리

송신기와 수신기가 같은 위치에 있는 일반적인 경우, Rt = Rr이며 Rt² Rr² 항은 R4로 대체될 수 있다(여기서 R은 거리).
결과는 다음과 같다.

이는 수신 전력이 거리의 4제곱에 비례하여 감소함을 보여주며, 이는 먼 표적으로부터의 수신 전력이 상대적으로 매우 작음을 의미한다.

추가적인 필터링과 펄스 적분은 탐지 거리를 늘리고 송신 전력을 줄이는 데 사용될 수 있는 펄스 도플러 레이더 성능을 위해 레이더 방정식을 약간 수정한다.

F = 1인 위의 방정식은 간섭이 없는 진공에서의 전송을 단순화한 것이다. 전파 인자는 다경로 전파 및 그림자 효과를 고려하며 환경의 세부 사항에 따라 달라진다. 실제 상황에서는 경로 손실 효과도 고려된다.

 도플러 효과 

섬네일|upright=1.2|소스의 움직임으로 인한 파장의 변화
주파수 변이는 반사체와 레이더 사이의 파장 수를 변화시키는 운동에 의해 발생한다. 이는 탐지 프로세스에 미치는 영향에 따라 레이더 성능을 저하시키거나 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 이동 표적 표시는 도플러와 상호 작용하여 특정 시선속도에서 신호 상쇄를 일으켜 성능을 저하시킬 수 있다.

해상 기반 레이더 시스템, 반능동 레이더 유도, 능동 레이더 유도, 기상 레이더, 군용 항공기 및 레이더 천문학은 성능 향상을 위해 도플러 효과에 의존한다. 이는 탐지 프로세스 중에 표적 속도에 대한 정보를 생성한다. 또한 근처의 훨씬 더 큰 느리게 움직이는 물체를 포함하는 환경에서 작은 물체를 탐지할 수 있게 해준다.

도플러 변이는 레이더 구성이 능동형인지 수동형인지에 따라 달라진다. 능동 레이더는 수신기로 다시 반사되는 신호를 송신한다. 수동 레이더는 수신기로 신호를 보내는 물체에 의존한다.

능동 레이더에 대한 도플러 주파수 변이는 다음과 같다. 여기서 는 도플러 주파수, 는 송신 주파수, 은 시선속도, 는 빛의 속도이다.

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수동 레이더는 전자전 및 전파천문학에 다음과 같이 적용된다.

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속도의 방사 성분(시선 성분)만이 관련이 있다. 반사체가 레이더 빔에 직각으로 움직일 때는 상대 속도가 없다. 레이더 빔과 평행하게 움직이는 물체는 최대 도플러 주파수 변이를 일으킨다.

송신 주파수()가 의 펄스 반복 주파수를 사용하여 펄스화될 때, 결과적인 주파수 스펙트럼은 의 간격으로 위아래의 고조파 주파수를 포함하게 된다. 결과적으로, 도플러 주파수 변이가 의 절반(나이퀴스트 진동수)보다 작을 때만 도플러 측정이 모호하지 않게 되는데, 그렇지 않으면 반사된 주파수를 위아래 고조파 주파수의 변이와 구별할 수 없기 때문이다. 따라서 다음이 요구된다.

또는 로 치환하면 다음과 같다.

예를 들어, 펄스 속도가 2kHz이고 송신 주파수가 1GHz인 도플러 기상 레이더는 최대 까지의 기상 속도를 안정적으로 측정할 수 있지만, 로 이동하는 항공기의 시선속도는 안정적으로 결정할 수 없다.

 편파 

모든 전자기파에서 전기장은 전파 방향에 수직이며, 전기장의 방향이 파동의 편광이다. 송신되는 레이더 신호의 경우, 다양한 효과를 얻기 위해 편파를 제어할 수 있다. 레이더는 다양한 유형의 반사를 탐지하기 위해 수평, 수직, 선형 및 원형 편파를 사용한다. 예를 들어, 원편파는 비로 인한 간섭을 최소화하는 데 사용된다. 선형 편광 반사는 일반적으로 금속 표면을 나타낸다. 무작위 편파 반사는 일반적으로 암석이나 토양과 같은 프랙탈 표면을 나타내며 항법 레이더에 의해 사용된다.

 제한 요인 

 빔 경로 및 범위 

섬네일|upright=1.5|지표면 위의 에코 높이 여기서 :   r : 레이더-표적 거리 ke : 4/3 ae : 지구 반지름 θe : 레이더 지평선 위의 고도각 ha : 지면 위 피드혼의 높이
레이더 빔은 진공 상태에서는 선형 경로를 따르지만 대기 중에서는 공기의 굴절률 변화로 인해 다소 휘어진 경로를 따르는데, 이를 레이더 지평선이라고 한다. 빔이 지면과 평행하게 방출되더라도 지구의 곡률이 지평선 아래로 가라앉으면서 빔은 지면 위로 솟아오르게 된다. 더욱이 신호는 빔이 가로지르는 매질에 의해 감쇠되고 빔은 분산된다.

전통적인 레이더의 최대 거리는 여러 요인에 의해 제한될 수 있다.
지면 위의 높이에 따라 달라지는 가시선. 직접적인 가시선이 없으면 빔의 경로가 차단된다.
 펄스 반복 주파수에 의해 결정되는 최대 비모호 거리. 최대 비모호 거리는 다음 펄스가 방출되기 전에 펄스가 이동하고 돌아올 수 있는 거리이다.
레이더 방정식에서 계산된 레이더 민감도 및 반환 신호의 전력. 이 구성 요소에는 환경 조건 및 표적의 크기(또는 레이더 반사 면적)와 같은 요인이 포함된다.

 노이즈 

신호 노이즈는 모든 전자 부품에서 발생하는 신호의 무작위 변동의 내부 소스이다.

반사된 신호는 거리가 멀어짐에 따라 급격히 감소하므로 노이즈는 레이더 거리 제한을 유발한다. 노이즈 플로어와 신호 대 잡음비는 거리 성능에 영향을 미치는 두 가지 서로 다른 성능 척도이다. 너무 멀리 있는 반사체는 노이즈 플로어를 넘기기에 너무 작은 신호를 생성하므로 탐지할 수 없다. 탐지에는 최소한 신호 대 잡음비만큼 노이즈 플로어를 초과하는 신호가 필요하다.

노이즈는 일반적으로 레이더 수신기에서 수신된 원하는 에코 신호에 중첩된 무작위 변동으로 나타난다. 원하는 신호의 전력이 낮을수록 노이즈와 구별하기가 더 어려워진다. 잡음 지수는 이상적인 수신기와 비교하여 수신기에서 생성되는 노이즈의 척도이며, 이를 최소화해야 한다.

푸아송 잡음은 모든 탐지기에서 발생하는 불연속면을 가로질러 이동하는 전자에 의해 생성된다. 푸아송 잡음은 대부분의 수신기에서 주된 소스이다. 증폭 장치를 통한 전자 이동으로 인한 플리커 노이즈도 발생하며, 이는 헤테로다인 증폭을 사용하여 줄인다. 헤테로다인 처리의 또 다른 이유는 고정된 분수 대역폭에 대해 순간 대역폭이 주파수에 따라 선형적으로 증가하기 때문이다. 이는 거리 해상도를 향상시킨다. 헤테로다인(다운컨버전) 레이더 시스템의 주목할 만한 예외는 초광대역 레이더이다. 여기서는 UWB 통신과 유사하게 단일 사이클 또는 과도 파동이 사용된다.

노이즈는 외부 소스, 특히 관심 표적을 둘러싼 배경의 자연 열복사에 의해서도 발생한다. 현대 레이더 시스템에서 내부 노이즈는 일반적으로 외부 노이즈와 거의 같거나 그보다 낮다. 예외는 레이더가 맑은 하늘을 향할 때인데, 그 장면이 너무 "차갑기" 때문에 열잡음이 거의 발생하지 않는다. 열잡음은 kB T B로 주어지는데, 여기서 T는 온도, B는 대역폭, kB는 볼츠만 상수이다. 레이더에는 이 관계에 대한 호소력 있는 직관적 해석이 있다. 정합 필터링을 사용하면 표적으로부터 수신된 전체 에너지를 단일 빈(거리, 도플러, 고도 또는 방위각 빈)으로 압축할 수 있다. 겉보기에는 고정된 시간 간격 내에서 완벽하고 오류 없는 탐지를 얻을 수 있는 것처럼 보인다. 이는 모든 에너지를 아주 미세한 시간 조각으로 압축함으로써 이루어진다. 실제 세계에서 이 접근 방식이 제한되는 이유는 시간은 임의로 나눌 수 있지만 전류는 그렇지 않기 때문이다. 전기 에너지의 양자는 전자이므로, 할 수 있는 최선은 모든 에너지를 단일 전자에 정합 필터링하는 것이다. 전자는 특정 온도(흑체 스펙트럼)에서 움직이고 있으므로 이 노이즈 소스는 더 이상 줄일 수 없다. 궁극적으로 레이더는 모든 거시적 개체와 마찬가지로 양자 이론의 영향을 깊이 받는다.

노이즈는 무작위적이고 표적 신호는 그렇지 않다. 신호 처리는 두 가지 전략을 사용하여 노이즈 플로어를 낮추기 위해 이 현상을 이용할 수 있다. 이동 표적 표시에 사용되는 신호 적분 방식은 각 단계마다 노이즈를 최대 까지 개선할 수 있다. 신호는 또한 펄스 도플러 신호 처리를 위해 여러 필터로 나뉠 수 있으며, 이는 필터 수만큼 노이즈 플로어를 낮춘다. 이러한 개선 사항은 결맞음에 달려 있다.

 간섭 

레이더 시스템은 관심 표적에 집중하기 위해 원치 않는 신호를 극복해야 한다. 이러한 원치 않는 신호는 내부 및 외부 소스, 수동형 및 능동형 모두에서 발생할 수 있다. 이러한 원치 않는 신호를 극복하는 레이더 시스템의 능력은 신호 대 잡음비(SNR)로 정의된다. SNR은 원하는 신호 내의 노이즈 전력에 대한 신호 전력의 비율로 정의된다. 이는 원하는 표적 신호의 수준을 배경 노이즈(대기 노이즈 및 수신기 내에서 생성되는 노이즈) 수준과 비교한다. 시스템의 SNR이 높을수록 실제 표적을 노이즈 신호와 구별하는 능력이 뛰어나다.

 클러터 
섬네일|표적으로부터의 레이더 다경로 에코로 인해 고스트가 나타난다

클러터는 레이더 운영자에게 흥미롭지 않은 표적에서 반환된 무선 주파수(RF) 에코를 의미한다. 이러한 표적에는 건물과 같은 인공물과 의도적으로 레이더 대책으로 사용되는 채프가 포함된다. 또한 지면, 바다와 같은 자연물과 기상학적 목적이 아닐 때의 강수, 헤일 스파이크, 모래폭풍, 동물(특히 새), 대기 순환의 난류, 유성체 궤적 등도 포함된다. 레이더 클러터는 지자기 폭풍이나 기타 우주 기후 사건으로 인한 전리층의 교란과 같은 다른 대기 현상에 의해서도 발생할 수 있다. 이 현상은 지자기 극 근처에서 특히 두드러지는데, 이곳에서 지구 자기권에 작용하는 태양풍은 전리층 플라스마 내에 대류 패턴을 생성한다. 레이더 클러터는 초지평선 레이더의 표적 탐지 능력을 저하시킬 수 있다.

일부 클러터는 레이더 송수신기와 안테나 사이의 긴 레이더 도파관에 의해서도 발생할 수 있다. 회전 안테나가 있는 일반적인 평면 위치 표시기(PPI) 레이더에서 이는 수신기가 도파관 내의 먼지 입자와 잘못된 RF의 에코에 반응함에 따라 디스플레이 중앙의 "태양" 또는 "선버스트"로 나타난다. 송신기가 펄스를 보내는 시간과 수신기 단계가 활성화되는 시간 사이의 타이밍을 조정하면 대부분의 선버스트가 안테나를 떠나기 전에 반사된 확산 송신 펄스에 의해 발생하기 때문에 거리에 영향을 주지 않고 선버스트를 줄일 수 있다. 클러터는 레이더에서 보낸 레이더 신호에 반응해서만 나타나기 때문에 수동 간섭원으로 간주된다.

클러터는 여러 가지 방법으로 탐지되고 중화된다. 클러터는 레이더 스캔 사이에 정지해 있는 경향이 있다. 후속 스캔 에코에서 원하는 표적은 움직이는 것으로 나타나며 모든 정지된 에코는 제거될 수 있다. 해면 클러터는 수평 편파를 사용하여 줄일 수 있고, 비는 원편파를 사용하여 줄일 수 있다(기상 레이더는 반대 효과를 원하므로 강수를 탐지하기 위해 선형 편광을 사용한다). 다른 방법들은 신호 대 클러터 비를 높이려고 시도한다.

클러터는 바람과 함께 움직이거나 정지해 있다. 클러터 환경에서 성능 척도를 개선하기 위한 두 가지 일반적인 전략은 다음과 같다.
연속적인 펄스를 통합하는 이동 표적 표시(MTI)
클러터와 원하는 신호를 분리하기 위해 필터를 사용하는 도플러 처리

가장 효과적인 클러터 감소 기술은 펄스 도플러 레이더이다. 도플러는 주파수 스펙트럼을 사용하여 항공기 및 우주선에서 클러터를 분리하므로, 속도 차이를 이용하여 동일한 체적 내에 위치한 여러 반사체로부터 개별 신호를 분리할 수 있다. 이는 결맞음 송신기를 필요로 한다. 또 다른 기술은 위상을 사용하여 두 개의 연속적인 펄스에서 수신된 신호를 빼서 느리게 움직이는 물체의 신호를 줄이는 이동 표적 표시기를 사용한다. 이는 시간 영역 펄스 진폭 레이더와 같이 결맞음 송신기가 없는 시스템에 적용될 수 있다.

일정한 오경보율(CFAR)은 자동 이득 제어(AGC)의 한 형태로, 관심 표적의 에코보다 클러터 반환이 훨씬 많다는 점에 의존하는 방법이다. 수신기의 이득은 전체 가시 클러터 수준을 일정하게 유지하기 위해 자동으로 조정된다. 이것이 주변의 강한 클러터에 가려진 표적을 탐지하는 데 도움이 되지는 않지만, 강한 표적 소스를 구별하는 데는 도움이 된다. 과거에 레이더 AGC는 전자적으로 제어되었으며 전체 레이더 수신기의 이득에 영향을 미쳤다. 레이더가 진화함에 따라 AGC는 컴퓨터 소프트웨어로 제어되었으며 특정 탐지 셀에서 더 미세한 입도로 이득에 영향을 미쳤다.

클러터는 지면 반사, 대기 덕트 또는 전리층 반사/굴절(예: 이상 전파)로 인한 유효 표적의 다경로 에코에서 발생할 수도 있다. 이 클러터 유형은 다른 정상적인(점) 관심 표적처럼 움직이고 행동하는 것처럼 보이기 때문에 특히 성가시다. 전형적인 시나리오에서 항공기 에코는 아래 지면에서 반사되어 수신기에는 실제 표적 아래에 동일한 표적이 있는 것처럼 나타난다. 레이더는 표적을 통합하려고 시도하여 잘못된 높이에서 표적을 보고하거나 지터 또는 물리적 불가능성을 근거로 제거할 수 있다. 지형 반사 재밍은 레이더 신호를 증폭하고 아래쪽으로 유도하여 이러한 반응을 이용한다. 이러한 문제는 레이더 주변의 지형도를 통합하고 지표면 아래나 특정 높이 위에서 발생하는 것처럼 보이는 모든 에코를 제거함으로써 극복할 수 있다. 모노펄스는 저고도에서 사용되는 고도 알고리즘을 변경하여 개선할 수 있다. 최신 항공 교통 관제 레이더 장비에서는 현재 펄스 반환을 인접한 것과 비교하고 반환 가능성이 희박한 것을 계산하여 가짜 표적을 식별하는 알고리즘이 사용된다.

 재밍 

레이더 재밍은 레이더 외부의 소스에서 발생하는 무선 주파수 신호를 말하며, 레이더의 주파수로 송신하여 관심 표적을 가린다. 재밍은 전자전 전술과 같이 의도적일 수도 있고, 동일한 주파수 범위를 사용하여 송신하는 장비를 운용하는 우군 부대와 같이 비의도적일 수도 있다. 재밍은 레이더 외부의 요소에 의해 시작되고 일반적으로 레이더 신호와 관련이 없기 때문에 능동 간섭원으로 간주된다.

재밍 신호는 편도(재머에서 레이더 수신기까지)만 이동하면 되는 반면 레이더 에코는 왕복(레이더-표적-레이더)을 해야 하므로, 역제곱 법칙에 따라 레이더 수신기에 도달할 때 전력이 크게 감소하기 때문에 레이더에 문제가 된다. 따라서 재머는 재밍되는 레이더보다 훨씬 덜 강력하면서도 재머에서 레이더로의 가시선을 따라 표적을 효과적으로 가릴 수 있다(주엽 재밍). 재머는 레이더 수신기의 부엽을 통해 다른 시선 방향을 따르는 레이더에 영향을 미치는 부가적인 효과도 있다(부엽 재밍).

주엽 재밍은 일반적으로 주엽 입체각을 좁힘으로써만 줄일 수 있으며 레이더와 동일한 주파수와 편파를 사용하는 재머와 직접 마주할 때는 완전히 제거할 수 없다. 부엽 재밍은 레이더 안테나 설계에서 수신 부엽을 줄이고 무지향성 안테나를 사용하여 주엽이 아닌 신호를 탐지하고 무시함으로써 극복할 수 있다. 기타 재밍 방지 기술로는 주파수 도약과 편광이 있다.

 신호 처리 

 거리 측정 

 비행 시간 

섬네일|right|펄스 레이더: 레이더 펄스가 표적까지 갔다가 돌아오는 왕복 시간이 측정된다. 거리는 이 시간에 비례한다.

거리 측정을 얻는 한 가지 방법은 비행 시간을 기반으로 한다. 짧은 무선 신호(전자기파) 펄스를 송신하고 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정한다. 거리는 왕복 시간에 빛의 속력을 곱한 값의 절반이다. 절반이라는 계수는 신호가 물체까지 갔다가 다시 돌아와야 한다는 사실에서 기인한다. 전파는 빛의 속력으로 이동하므로 정확한 거리 측정을 위해서는 고속 전자 장치가 필요하다.
대부분의 경우 수신기는 신호가 송신되는 동안 반환을 탐지하지 않는다. 송수 전환기를 통해 레이더는 미리 정해진 속도로 송신과 수신 사이를 전환한다.
유사한 효과가 최대 거리도 제한한다. 거리를 최대화하기 위해 펄스 반복 시간 또는 그 역수인 펄스 반복 주파수라고 하는 펄스 사이의 긴 시간을 사용해야 한다.

이 두 효과는 서로 상충되는 경향이 있으며, 하나의 레이더에서 우수한 단거리와 우수한 장거리를 결합하는 것은 쉽지 않다. 우수한 최소 거리에 필요한 짧은 펄스는 총 에너지가 적어 반환이 훨씬 작고 표적을 탐지하기 어렵게 만들기 때문이다. 이는 더 많은 펄스를 사용하여 상쇄할 수 있지만, 그렇게 하면 최대 거리가 짧아진다. 따라서 각 레이더는 특정 유형의 신호를 사용한다. 장거리 레이더는 펄스 사이의 지연이 긴 긴 펄스를 사용하는 경향이 있고, 단거리 레이더는 지연이 적은 더 작은 펄스를 사용한다. 전자 장치가 개선됨에 따라 많은 레이더가 이제 펄스 반복 주파수를 변경하여 거리를 변경할 수 있다. 최신 레이더는 한 셀 동안 두 개의 펄스를 발사하는데, 하나는 단거리(약 )용이고 다른 하나는 더 먼 거리(약 )를 위한 별도의 신호이다.

거리는 시간의 함수로 측정될 수도 있다. 레이더 마일은 레이더 펄스가 1해리를 이동하고 표적에 반사되어 레이더 안테나로 돌아오는 데 걸리는 시간이다. 1해리는 1,852m로 정의되므로, 이 거리를 빛의 속력(299,792,458 m/s)으로 나눈 다음 그 결과에 2를 곱하면 12.36μs의 시간이 산출된다.

 주파수 변조 
섬네일|right|연속파(CW) 레이더. 주파수 변조를 사용하면 거리를 추출할 수 있다.

거리 측정 레이더의 또 다른 형태는 주파수 변조를 기반으로 한다. 이러한 시스템에서는 송신되는 신호의 주파수가 시간에 따라 변한다. 신호가 표적까지 갔다가 돌아오는 데 유한한 시간이 걸리기 때문에, 반사된 신호가 레이더로 돌아올 때 송신기가 방송하고 있는 주파수와 수신된 신호의 주파수는 다르다. 두 신호의 주파수를 비교함으로써 그 차이를 쉽게 측정할 수 있다. 이는 1940년대 전자 장치로도 매우 높은 정확도로 쉽게 달성할 수 있었다. 추가적인 장점은 레이더가 비교적 낮은 주파수에서 효과적으로 작동할 수 있다는 것이다. 이는 고주파 신호 생성이 어렵거나 비싸던 초기 개발 시기에 중요했다.

이 기술은 연속파 레이더에서 사용될 수 있으며 항공기 전파 고도계에서 자주 발견된다. 이러한 시스템에서 "반송파" 레이더 신호는 예측 가능한 방식으로 주파수 변조되며, 일반적으로 가청 주파수에서 사인파 또는 톱니파 패턴으로 위아래로 변한다. 그런 다음 신호는 하나의 안테나에서 송신되고 대개 항공기 하단에 위치한 다른 안테나에서 수신되며, 반사된 신호로부터 가청 주파수 톤을 생성하는 간단한 비트 주파수 변조기를 사용하여 송신 신호의 일부와 지속적으로 비교할 수 있다.

수신 신호에 실린 변조 지수는 레이더와 반사체 사이의 시간 지연에 비례한다. 주파수 변이는 시간 지연이 클수록 커진다. 주파수 변이는 이동 거리에 정직비례한다. 그 거리는 계기에 표시될 수 있으며 트랜스폰더를 통해 이용 가능할 수도 있다. 이 신호 처리는 속도 탐지 도플러 레이더에서 사용되는 것과 유사하다. 이 접근 방식을 사용하는 시스템의 예로는 AZUSA, MISTRAM, UDOP가 있다.

지상 레이더는 더 넓은 주파수 범위를 커버하는 저전력 FM 신호를 사용한다. 다중 반사는 패턴 변화에 대해 수학적으로 분석되어 다중 패스를 통해 컴퓨터 합성 이미지를 생성한다. 도플러 효과가 사용되어 느리게 움직이는 물체를 탐지할 수 있을 뿐만 아니라 수면에서 발생하는 "노이즈"를 크게 제거한다.

 펄스 압축 

위에서 설명한 두 가지 기술 모두 단점이 있다. 펄스 타이밍 기술은 거리 측정의 정확도가 펄스 길이에 반비례하는 반면 에너지와 방향 범위는 정비례한다는 본질적인 상충 관계가 있다. 정확도를 유지하면서 더 먼 거리를 위해 전력을 높이려면 극도로 높은 피크 전력이 필요하며, 1960년대 조기 경보 레이더는 종종 수십 메가와트에서 작동했다. 연속파 방법은 이 에너지를 시간상으로 분산시키므로 펄스 기술에 비해 훨씬 낮은 피크 전력을 필요로 하지만, 송신 신호와 수신 신호를 동시에 작동시킬 수 있는 방법이 필요하며 종종 두 개의 별도 안테나를 요구한다.

1960년대에 새로운 전자 장치가 도입되면서 두 기술을 결합할 수 있게 되었다. 이는 주파수 변조도 된 더 긴 펄스로 시작한다. 방송 에너지를 시간상으로 분산시킨다는 것은 더 낮은 피크 에너지를 사용할 수 있음을 의미하며, 현대의 예는 대개 수십 킬로와트 수준이다. 수신 시 신호는 서로 다른 주파수를 서로 다른 시간만큼 지연시키는 시스템으로 보내진다. 결과적인 출력은 정확한 거리 측정에 적합한 훨씬 짧은 펄스이며, 수신된 에너지를 훨씬 더 높은 에너지 피크로 압축하여 신호 대 잡음비를 개선한다. 이 기술은 현대의 대형 레이더에서 거의 보편적으로 사용된다.

 속도 측정 
속력은 시간에 따른 물체까지의 거리 변화이다. 따라서 거리를 측정하는 기존 시스템에 표적이 마지막에 어디에 있었는지 확인하는 메모리 기능을 결합하면 속도를 측정하기에 충분하다. 한때 이 메모리는 사용자가 레이더 스크린에 그리스 연필로 표시를 한 다음 계산자를 사용하여 속도를 계산하는 방식이었다. 현대 레이더 시스템은 컴퓨터를 사용하여 동등한 작업을 더 빠르고 정확하게 수행한다.

송신기의 출력이 결맞음(위상 동기화) 상태라면, 도플러 효과로 알려진 거의 즉각적인 속도 측정을 위해 사용할 수 있는 또 다른 효과가 있다. 대부분의 현대 레이더 시스템은 이 원리를 도플러 레이더 및 펄스 도플러 레이더 시스템(기상 레이더, 군용 레이더)에 적용한다. 도플러 효과는 레이더에서 표적까지의 시선을 따르는 표적의 상대 속도만을 결정할 수 있다. 시선에 수직인 표적 속도의 모든 성분은 도플러 효과만으로는 결정할 수 없지만, 시간에 따른 표적의 방위각을 추적함으로써 결정할 수 있다.

알려진 주파수의 매우 순수한 신호를 보냄으로써 펄스 없이 도플러 레이더를 만드는 것이 가능하며, 이를 연속파 레이더(CW 레이더)라고 한다. CW 레이더는 표적 속도의 방사 성분을 결정하는 데 이상적이다. CW 레이더는 일반적으로 교통 단속에서 거리가 중요하지 않은 차량 속도를 빠르고 정확하게 측정하는 데 사용된다.

펄스 레이더를 사용할 때 연속적인 반환 위상 사이의 변화는 펄스 사이에서 표적이 이동한 거리를 제공하며, 따라서 속도를 계산할 수 있다.
레이더 신호 처리의 다른 수학적 발전에는 시간-주파수 분석(Weyl Heisenberg 또는 웨이블릿)뿐만 아니라 이동하는 표적의 반환 주파수 변화("처프")를 이용하는 처플릿 변환이 포함된다.

 펄스 도플러 신호 처리 

섬네일|펄스 도플러 신호 처리. 거리 샘플 축은 각 송신 펄스 사이에서 취해진 개별 샘플을 나타낸다. 거리 간격 축은 샘플이 취해지는 각 연속 송신 펄스 간격을 나타낸다. 고속 푸리에 변환 프로세스는 시간 영역 샘플을 주파수 영역 스펙트럼으로 변환한다. 이것은 때때로 못의 침대라고 불린다.

펄스 도플러 신호 처리는 탐지 프로세스에서 주파수 필터링을 포함한다. 각 송신 펄스 사이의 공간은 거리 셀 또는 거리 게이트로 나뉜다. 각 셀은 서로 다른 주파수를 보여주는 디스플레이를 생성하기 위해 스펙트럼 애널라이저에서 사용되는 프로세스와 유사하게 독립적으로 필터링된다. 각기 다른 거리는 각기 다른 스펙트럼을 생성한다. 이러한 스펙트럼은 탐지 프로세스를 수행하는 데 사용된다. 이는 기상, 지형 및 전자전 대책이 포함된 적대적인 환경에서 수용 가능한 성능을 달성하는 데 필요하다.

주요 목적은 여러 거리로부터 합쳐진 반사 신호의 진폭과 주파수를 모두 측정하는 것이다. 이는 기상 레이더에서 각기 다른 공기 체적 내의 시선 풍속과 강수율을 측정하는 데 사용된다. 이는 실시간 전자 기상 지도를 생성하기 위해 컴퓨팅 시스템과 연결된다. 항공 안전은 부상과 사고를 예방하는 데 사용되는 정확한 기상 레이더 정보에 대한 지속적인 액세스에 달려 있다. 기상 레이더는 낮은 PRF를 사용한다. 개별 신호를 분리할 필요가 보통 없기 때문에 결맞음 요구 사항이 군용 시스템만큼 엄격하지 않다. 덜 정교한 필터링이 필요하며, 공중 기체를 추적하기 위한 군용 레이더와 비교할 때 기상 레이더에서는 거리 모호성 처리가 일반적으로 필요하지 않다.

대안적인 목적은 군용 공중 전투 생존성을 향상시키기 위해 필요한 "look-down/shoot-down" 기능이다. 펄스 도플러는 인원과 차량을 방어하기 위해 필요한 지상 감시 레이더에도 사용된다. 펄스 도플러 신호 처리는 조종사, 선박 승조원, 보병 및 포병 근처에서의 방사선을 덜 사용하면서 최대 탐지 거리를 늘린다. 지형, 물 및 기상으로부터의 반사는 항공기 및 미사일보다 훨씬 큰 신호를 생성하며, 이는 빠르게 움직이는 기체가 지형추적비행(nap-of-the-earth) 기술과 스텔스 기술을 사용하여 공격 기체가 파괴하기에 너무 가까워질 때까지 탐지를 피할 수 있게 한다. 펄스 도플러 신호 처리는 이러한 종류의 약점을 안전하게 제거하는 더 정교한 전자 필터링을 통합한다. 이를 위해서는 큰 동적 범위를 가진 위상 결맞음 하드웨어와 함께 중급 펄스 반복 주파수를 사용해야 한다. 군용 애플리케이션은 거리를 직접 결정할 수 없게 만드는 중급 PRF가 필요하며, 모든 반사 신호의 실제 거리를 식별하기 위해 거리 모호성 해결 처리가 필요하다. 방사 운동은 일반적으로 도플러 주파수와 연결되어 레이더 재밍 신호에 의해 생성될 수 없는 록(lock) 신호를 생성한다. 펄스 도플러 신호 처리는 위협 식별에 사용될 수 있는 가청 신호도 생성한다.

 간섭 효과 감소 
신호 처리는 레이더 시스템에서 레이더 간섭 효과를 줄이기 위해 사용된다. 신호 처리 기술에는 이동 표적 표시, 펄스 도플러 신호 처리, 이동 표적 탐지 프로세서, 2차감시 레이더 표적과의 상관관계, 시공간 적응 처리 및 탐지 전 추적이 포함된다. 일정한 오경보율 및 디지털 지형 모델 처리도 클러터 환경에서 사용된다.

 플롯 및 트랙 추출 

트랙 알고리즘은 레이더 성능 향상 전략이다. 추적 알고리즘은 센서 시스템에 의해 보고되는 개별 위치의 이력에 기반하여 여러 움직이는 물체의 미래 위치를 예측하는 능력을 제공한다.

과거 정보가 축적되어 항공 교통 관제, 위협 추정, 전투 시스템 교리, 총 조준 및 미사일 유도에 사용하기 위한 미래 위치를 예측하는 데 사용된다. 위치 데이터는 몇 분의 기간 동안 레이더 센서에 의해 축적된다.

네 가지 일반적인 트랙 알고리즘이 있다.
 최근접 이웃 알고리즘
 확률적 데이터 연관
다중 가설 추적(MHT)
상호 작용 다중 모델(IMM)

항공기로부터의 레이더 비디오 반환은 가짜 신호와 간섭 신호가 버려지는 플롯 추출 프로세스를 거칠 수 있다. 표적 반환의 시퀀스는 플롯 추출기로 알려진 장치를 통해 모니터링될 수 있다.

관련 없는 실시간 반환은 표시되는 정보에서 제거되고 단일 플롯이 표시될 수 있다. 일부 레이더 시스템 또는 레이더가 연결된 지휘 통제 시스템에서는 레이더 추적 장치를 사용하여 개별 표적에 속하는 플롯 시퀀스를 연관시키고 표적의 기수 방향과 속도를 추정한다.

 공학 

섬네일|right|레이더 구성 요소
레이더의 구성 요소는 다음과 같다.
 속도변조관 또는 자전관과 같은 발진기로 무선 신호를 생성하고 변조기로 지속 시간을 제어하는 송신기.
송신기와 안테나를 연결하는 도파관.
안테나가 송신과 수신 양쪽 상황에서 사용될 때 안테나와 송신기 또는 수신기 사이의 스위치 역할을 하는 송수 전환기.
 수신기. 원하는 수신 신호(펄스)의 형태를 알면 정합 필터를 사용하여 최적의 수신기를 설계할 수 있다.
인간이 읽을 수 있는 출력 장치용 신호를 생성하는 디스플레이 프로세서.
소프트웨어에 의해 지시된 레이더 스캔을 수행하기 위해 이 모든 장치와 안테나를 제어하는 전자 섹션.
최종 사용자 장치 및 디스플레이에 대한 링크.

 안테나 설계 

섬네일|AS-3263/SPS-49(V) 안테나 (미국 해군)
단일 안테나에서 방송되는 무선 신호는 모든 방향으로 퍼지며, 마찬가지로 단일 안테나는 모든 방향에서 신호를 동일하게 수신한다. 이는 레이더가 표적 물체가 어디에 위치하는지 결정해야 하는 문제를 남긴다.

초기 시스템은 다양한 방향을 가리키는 지향성 수신 안테나와 함께 무지향성 방송 안테나를 사용하는 경향이 있었다. 예를 들어, 최초로 배치된 시스템인 Chain Home은 수신을 위해 각기 다른 디스플레이에 연결된 직각의 두 직선 안테나를 사용했다. 최대 반환은 표적에 직각인 안테나에서 탐지되고, 최소값은 안테나가 표적을 직접 가리킬 때(끝단) 탐지된다. 운영자는 하나의 디스플레이가 최대값을 보여주고 다른 하나가 최소값을 보여주도록 안테나를 회전시켜 표적에 대한 방향을 결정할 수 있었다.
이러한 유형의 솔루션이 가진 한 가지 심각한 한계는 방송이 모든 방향으로 보내지기 때문에 조사 중인 방향의 에너지 양이 송신된 에너지의 작은 부분에 불과하다는 것이다. "표적"에 적절한 양의 전력을 공급하려면 송신 안테나도 지향성이어야 한다.

 파라볼라 반사판 
섬네일|right|감시 레이더 안테나

더 현대적인 시스템은 좁은 방송 빔을 만들기 위해 조종 가능한 포물선 "접시"를 사용하며, 일반적으로 수신기와 동일한 접시를 사용한다. 이러한 시스템은 자동 조종 또는 레이더 록을 가능하게 하기 위해 종종 동일한 안테나에 두 개의 레이더 주파수를 결합한다.

파라볼라 반사판은 대칭형 포물선 또는 스포일드 포물선일 수 있다.
대칭형 파라볼라 안테나는 X 및 Y 차원 모두에서 좁은 "펜실" 빔을 생성하며 결과적으로 더 높은 이득을 갖는다. NEXRAD 펄스 도플러 기상 레이더는 대기의 상세한 입체 스캔을 수행하기 위해 대칭 안테나를 사용한다. 스포일드 파라볼라 안테나는 한 차원에서는 좁은 빔을 생성하고 다른 차원에서는 상대적으로 넓은 빔을 생성한다. 이 기능은 3차원에서의 표적 위치보다 넓은 각도 범위에서의 표적 탐지가 더 중요할 때 유용하다. 대부분의 2D 감시 레이더는 좁은 방위각 빔 폭과 넓은 수직 빔 폭을 가진 스포일드 파라볼라 안테나를 사용한다. 이 빔 구성은 레이더 운영자가 특정 방위각에서 항공기를 탐지할 수 있게 해주지만 고도는 불확정 상태로 남는다. 반대로, 소위 "노더"(nodder) 고도 측정 레이더는 좁은 수직 빔 폭과 넓은 방위각 빔 폭을 가진 접시를 사용하여 특정 고도에서 항공기를 탐지하지만 방위각 정밀도는 낮다.

 스캔 유형 
일차 스캔: 메인 안테나 에어리얼을 움직여 스캐닝 빔을 생성하는 스캐닝 기술로, 원형 스캔, 섹터 스캔 등이 예이다.
이차 스캔: 안테나 피드를 움직여 스캐닝 빔을 생성하는 스캐닝 기술로, 원추형 스캔, 단방향 섹터 스캔, 로브 스위칭 등이 예이다.
팔머 스캔: 메인 안테나와 그 피드를 모두 움직여 스캐닝 빔을 생성하는 스캐닝 기술. 팔머 스캔은 일차 스캔과 이차 스캔의 조합이다.
 원추형 스캔: 레이더 빔을 표적을 가리키는 "보어사이트" 축 주위로 작은 원을 그리며 회전시킨다.

 슬롯 도파관 
right|섬네일|슬롯 도파관 안테나

파라볼라 반사판과 유사하게 적용되는 슬롯 도파관은 스캔을 위해 기계적으로 움직이며, 수직 패턴이 일정하게 유지될 수 있는 비추적 표면 스캔 시스템에 특히 적합하다. 저렴한 비용과 적은 바람 노출 덕분에 선박용, 공항 지면 및 항만 감시 레이더는 이제 파라볼라 안테나보다 이 방식을 선호하여 사용한다.

 위상배열 
섬네일|right|위상배열: 모든 레이더 안테나가 하늘을 스캔하기 위해 회전해야 하는 것은 아니다.

또 다른 조종 방법은 위상배열 레이더에서 사용된다.

위상배열 안테나는 안테나나 슬롯 도파관 열과 같이 균일하게 간격이 배치된 유사한 안테나 요소들로 구성된다. 각 안테나 요소 또는 안테나 요소 그룹은 배열 전체에 걸쳐 위상 구배를 생성하는 개별 위상 편이를 통합한다. 예를 들어, 배열 면을 가로질러 각 파장당 5도 위상 편이를 생성하는 배열 요소는 배열 면에 수직인 중심선에서 5도 떨어진 곳을 가리키는 빔을 생성한다. 그 빔을 따라 이동하는 신호는 강화될 것이다. 그 빔에서 벗어난 신호는 상쇄될 것이다. 강화되는 정도가 안테나 이득이다. 상쇄되는 정도가 부엽 억제이다.

위상배열 레이더는 제2차 세계 대전의 초기부터 사용되었으나(맘무트 레이더), 전자 장치의 한계로 인해 성능이 좋지 않았다. 위상배열 레이더는 원래 미사일 방어에 사용되었다(예를 들어 세이프가드 프로그램 참조). 이들은 함정 탑재 이지스 전투 시스템과 패트리어트 미사일 시스템의 핵심이다. 다수의 배열 요소를 가짐으로써 발생하는 막대한 중복성은 개별 위상 요소가 고장 나더라도 점진적인 성능 저하만 발생하게 하여 신뢰성을 높인다. 덜한 정도로, 위상배열 레이더는 기상 감시에도 사용되어 왔다. 2017년 기준, NOAA는 기상 연구 및 비행 모니터링을 위해 10년 이내에 미국 전역에 다기능 위상배열 레이더 국가 네트워크를 구축할 계획이다.

위상배열 안테나는 미사일, 보병 지원 차량, 선박 및 항공기와 같은 특정 모양에 맞게 구축될 수 있다.

전자 장치의 가격이 하락함에 따라 위상배열 레이더는 더욱 보편화되었다. 거의 모든 현대 군용 레이더 시스템은 위상배열을 기반으로 하며, 움직이는 부품이 없는 시스템의 향상된 신뢰성으로 인해 약간의 추가 비용이 상쇄된다. 전통적인 가동식 안테나 설계는 항공 교통 감시 및 유사 시스템과 같이 비용이 중요한 요소인 역할에서 여전히 널리 사용된다.

위상배열 레이더는 여러 표적을 추적할 수 있기 때문에 항공기용으로 가치가 높다. 위상배열 레이더를 사용한 최초의 항공기는 B-1B 랜서였다. 위상배열 레이더를 사용한 최초의 전투기는 미코얀 MiG-31이었다. MiG-31M의 SBI-16 Zaslon PESA 레이더는 록히드 마틴 F-22 랩터에 AESA가 도입되기 전까지 세계에서 가장 강력한 전투기 레이더로 간주되었다.

별도의 접시 배열을 단일 유효 구경으로 위상화하는 위상배열 간섭계 또는 구경 합성 기술은 전파천문학에서 널리 사용되지만 레이더 응용 분야에서는 일반적이지 않다. 이러한 다중 구경 배열은 송신기에 사용될 때 표적에 전달되는 총 전력을 줄이는 대가로 좁은 빔을 생성한다. 원칙적으로 이러한 기술은 공간 해상도를 높일 수 있지만, 낮은 전력 때문에 대개 효과적이지 않다.

반면, 단일 이동 소스로부터의 모션 데이터를 사후 처리하는 구경 합성은 우주 및 공중 레이더 시스템에서 널리 사용된다.

 주파수 대역 

안테나는 일반적으로 작동 주파수의 파장과 유사한 크기여야 하며 보통 크기 정도 내에 있어야 한다. 이는 안테나를 작게 만들 수 있게 해주기 때문에 더 짧은 파장을 사용하게 하는 강력한 동기가 된다. 짧은 파장은 또한 회절로 인해 해상도가 높아지며, 이는 대부분의 레이더에서 볼 수 있는 형태의 반사판을 원하는 빔 폭에 대해 더 작게 만들 수 있음을 의미한다.

더 작은 파장으로의 이동을 방해하는 것은 여러 가지 실용적인 문제이다. 우선, 고전력의 매우 짧은 파장을 생성하는 데 필요한 전자 장치는 일반적으로 긴 파장에 필요한 전자 장치보다 더 복잡하고 비싸거나 전혀 존재하지 않았다. 또 다른 문제는 레이더 방정식의 유효 구경 수치가 특정 안테나(또는 반사판) 크기에 대해 더 긴 파장에서 더 효율적임을 의미한다는 점이다. 또한 더 짧은 파장은 공기 중의 분자나 빗방울과 상호 작용하여 신호를 산란시킬 수 있다. 매우 긴 파장은 초지평선 레이더에 적합하게 만드는 추가적인 회절 효과도 있다. 이러한 이유로 다양한 역할에 매우 광범위한 파장이 사용된다.

전통적인 대역 명칭은 제2차 세계 대전 중에 암호명으로 시작되었으며 전 세계적으로 군사 및 항공 분야에서 여전히 사용되고 있다. 이들은 미국에서 전기전자공학자협회(IEEE)에 의해, 그리고 국제적으로는 국제전기통신연합(ITU)에 의해 채택되었다. 대부분의 국가는 각 대역 중 어느 부분이 민간 또는 군용으로 사용 가능한지 통제하기 위한 추가 규정을 가지고 있다.

방송 및 전자전 산업과 같은 무선 스펙트럼의 다른 사용자들은 전통적인 군용 명칭을 자체 시스템으로 대체했다.

 변조기 
변조기는 RF 펄스의 파형을 제공하는 역할을 한다. 두 가지 다른 레이더 변조기 설계가 있다.
비결맞음 키 파워 발진기를 위한 고전압 스위치. 이러한 변조기는 고전압 공급 장치, 펄스 형성 네트워크, 그리고 사이라트론과 같은 고전압 스위치로 구성된 고전압 펄스 발생기로 이루어진다. 이들은 직류(보통 펄스형)를 마이크로파로 변환하는 특수 유형의 진공관인 자전관 등에 공급하기 위해 짧은 전력 펄스를 생성한다. 이 기술은 펄스 전력으로 알려져 있다. 이러한 방식으로 방출되는 RF 방사선의 송신 펄스는 정의된 보통 매우 짧은 지속 시간으로 유지된다.
하이브리드 믹서, 복잡하지만 결맞음 파형을 위해 파형 발생기와 여기기(exciter)에 의해 공급된다. 이 파형은 저전력/저전압 입력 신호로 생성될 수 있다. 이 경우 레이더 송신기는 속도변조관이나 고체 상태 송신기와 같은 전력 증폭기여야 한다. 이러한 방식으로 송신 펄스는 인트라펄스 변조되며 레이더 수신기는 펄스 압축 기술을 사용해야 한다.

 냉각제 
진행파관이나 속도변조관과 같이 1,000와트 이상의 마이크로파 출력을 내는 결맞음 마이크로파 증폭기에는 액체 냉각제가 필요하다. 전자 빔은 마이크로파 출력보다 5~10배 더 많은 전력을 포함해야 하며, 이는 플라스마를 생성할 만큼의 열을 발생시킬 수 있다. 이 플라스마는 수집기(collector)에서 음극(cathode)을 향해 흐른다. 전자 빔을 가이드하는 동일한 자기 집속이 플라스마를 전자 빔의 경로로 밀어 넣지만 반대 방향으로 흐르게 한다. 이는 도플러 성능을 저하시키는 FM 변조를 도입한다. 이를 방지하기 위해 최소 압력과 유량을 가진 액체 냉각제가 필요하며, 도플러 처리를 사용하는 대부분의 고전력 지상 레이더 시스템에서는 일반적으로 탈이온수가 사용된다.

1970년대에 여러 군용 레이더에는 규산염 에스터인 쿨라놀(Coolanol)이 사용되었다. 그러나 이는 가수분해되어 인화성이 높은 알코올을 형성하는 흡습성이 있다. 1978년 미국 해군 항공기의 손실은 규산염 에스터 화재로 인한 것이었다. 쿨라놀은 또한 비싸고 독성이 있다. 미국 해군은 폐기물, 대기 배출 및 폐수 방출의 양과 독성을 제거하거나 줄이기 위해 오염 방지(P2)라는 프로그램을 도입했다. 이 때문에 오늘날 쿨라놀은 덜 자주 사용된다.

 규정 

레이더(RADAR라고도 함)는 국제전기통신연합(ITU)의 전파 규칙(RR) 제1.100조에 의해 다음과 같이 정의된다.

 구성 
레이더는 송신기, 수신기, 안테나, 파장, 스캔 전략 등에 따라 다양한 구성을 갖는다.
 바이스태틱 레이더
 연속파 레이더
 도플러 레이더
 FM-CW 레이더
 모노펄스 레이더
 수동형 레이더
 평면 배열 레이더
 펄스 도플러 레이더
 합성개구레이더
 합성 박막 구경 레이더
 초지평선 레이더(처프 송신기 포함)

 같이 보기 

 도플러 효과
 SAMV
 레이저

 각주 

 외부 링크 

 
분류:항법 장치
분류:1940년대 신조어