Lecture 1 – Introduction (1/3)

Military Means of Sensing

 

 

• 군사감지수단 (Military Means of Sensing)은 electrical, optical, infrared systems, radar, acoustic 등으로 구분할 수 있임. 
• 이 중에서, radar 기술을 사용하여 특정 지역에 target이 존재하는 지 탐지 (Surveillance)하고, target을 지속적으로 따라가며 위치 파악 (Tracking) 등을 할 수 있음. 즉, tracffic contol radar를 미사일에 장착하여 미사일을 추적하고 target을 찾을 수 있음.
• Radar는 다음의 특성을 가지고 있음.
  • 수백 마일까지 감지가 가능하며, 날씨에 영향을 받지 않음.
  • 3 space (x, y, z)에 정확한 target 위치를 파악할 수 있음.
  • Noise를 넣거나, 전파 방해 (jamming), 잘못된 목표를 만드는 chaff와 같은 countermeasure에 대해서 강건함.

 

RADAR (RAdio Detection And Ranging)

 

 

• RAdio Detection And Ranging으로부터 유래된 RADAR 시스템은 다음과 같은 과정을 거침.
  
  • 안테나는 transmitter에서 생성되는 microwave emission을 받아 에너지 펄스를 방출함. 이 신호는 대기를 통해 전파되어 target에 도달함.
  • Target에 도달한 전파는 일부가 반사되어 돌아옴. 이 때 반사된 신호를 echo라고 함. 
  • Transmitter는 전파를 발사한 후, echo를 감지하기 위해 *잠시 꺼짐. 
  • Transmitter가 꺼진 후, radar는 반사된 echo를 수신하여 분석함.
• 이를 통해 다음의 정보를 얻을 수 있음. 
  • 신호가 목표물까지 갔다가 돌아오는 시간 지연을 측정하여 거리를 측정할 수 있고, 목표물의 방위각과 고도를 측정할 수 있음.
  • Echo의 크기, 즉 진폭을 통해서 target의 크기(radar cross-section)를 측정할 수 있음. 
  • 반사된 radiation의 주파수 변화를 분석하여, target의 속도를 측정할 수 있음.

 

* transmitter에서 나오는 신호와 반사된 신호를 구분하기 위함.
계속 켜져 있으면, transmitter에서 나오는 신호가 너무 강해 echo를 가짐하기 어려움.

 

Electromagnetic Waves

 

 

• 레이더 신호는 electromagnetic waves의 일부임. 따라서, electromagnetic spectrum를 살펴볼 필요가 있음.
• Electromagnetic spectrum은 wavelength에 따라 다양한 영역으로 나뉘며, logarithmic scale로 표현됨.
  • Radio wave: 집과 축구장 만큼의 파장 길이를 가짐.
  • X-rays, gamma rays: 물 분자 크기 수준의 매우 짧은 파장을 가짐.
  • Visible waves: 1 마이크로미터 수준의 매우 짧은 파장을 가짐.
  • Microwaves: Radio wave와 Visible waves 사이에 존재하며, radar frequency가 microwave region에서 작동함.
• Radar의 주파수 영역은 일반적으로 microwave에서 작동하지만, 일부 radar는 1인치에서 사람 키만큼의 파장을 가지는 주파수 대역 (고주파, 초고주파 영역)에서도 운용됨. 또한 millimeter wave 및 10m 이상의 파장대역에서 작동하는 radar도 존재함.

 

Properties of Waves

 

 

• 모든 wave는 두 개의 peak 사이 거리로 정의되는 wavelength를 가짐. 그리고, 이때 걸리는 시간을 period (주기)라고 하며 period의 역수를 frequency (주파수)라고 함. 즉, 주파수는 초당 지나가는 peak의 갯수를 의미함.
• Electromagnetic wave의 경우, 속도가 빛의 속도와 동일하기 때문에 주파수는 빛의 속도를 wavelength로 나눈 것임.

 

 

• 한 wave의 peak이 다른 wave의 peak과 어떤 관계에 있는 지를 통해서 phase를 측정할 수 있음.
  • 위의 예시는 90 degree만큼 offset 되어 있는 두 개의 wave를 나타내며, 이를 90 degree phase offset이라고 함. 
  • 이 wave는 amplitude에 phase angle의 sine을 곱하여 수학적으로 표현할 수 있음.

 

 

• 두 개의 wave를 합칠 때,  각 wave의 phase 차이에 따라 결과가 다르기 때문에 phase 차이는 중요한 요소임.
  • Constructive: 두 개의 wave가 같은 phase일 때, 두 wave가 합쳐져 진폭이 두 배가 된 새로운 wave가 형성됨. (주파수는 동일함.)
  • Destructive: phase 차이가 180도 일 때는, 한 wave의 peak이 다른 wave의 trough와 일치하여 두 wave가 합쳐지면 상쇄되어 0이 됨.
  • Partially Constructive: 두 wave의 phase가 일부 일치할 경우, constructive와 destructive 사이의 wave가 형성됨.
  • Non-coherent signals: 서로 phase가 맞지 않기 때문에 완전히 정렬되지 않음. 완전한 phase 일치를 통한 constructive보다는 제한적인 강화 효과만 발생함. 즉, 완전히 coherent 신호에서 얻을 수 있는 최대 강화 효과를 얻지 못함.

 

Polarization

 

 

• Electromagnetic wave는 electric charge (전하), 즉 전기를 띤 입자가 위아래로 가속될 때 형성됨. 
  • 가속하는 electric charge는 시간에 따라 변화하는 electric field (전기장)을 생성하며, electric charge가 변화하는 전류이기 때문에 이로 인해 magnetic field (자기장)이 생성됨.
  • 즉, electromagnetic wave는 electric field와 magnetic field로 구성되어 있으며, electromagnetic wave의 전파 방향은 이러한 두 vector에 수직임.
  • Maxwell은 Maxwell's Equation을 정립하여, 가속하는 electric charge가 electromagnetic wave를 생성한다는 것을 수학적으로 설명함.
• Polarization은 electric field vector의 방향임.
  • 위의 그림에서, z축으로 전파하는 electromagnetic wave가 있을 때, magnetic field와 electric field는 서로 직각으로 교차하며 전파됨.
  • Electric field가 위아래로 움직이는 경우 vertical polariation이라고 하며, electric field가 좌우로 움직이는 경우 horizontal polarization이라고 함.