Lecture 1 – Introduction (2/3)

Radar Frequency Bands

 

 

• Electromagnetic spectrum의 영역은, wavelength 기준으로 1km에서 1nm에 이르며, frequency 기준으로 1MHz에서 $10^12$MHz에 이름.
  • Visible spectrumdms radar가 작동하는 electromagnetic spectrum의 일부분임.
• 대표적인 radar 주파수 대역과 그에 대응하는 주파수, 용도를 구분할 수 있음.
  • 일반적인 물체를 탐지하는 radar는 낮은 주파수에서 사용됨.
  • 미사일의 직경이 작기때문에 미사일을 탐지하기 위해서는 높은 주파수가 필요함.
  • Fir control radar는 X-Band에 해당하는 주파수에서 사용되는데, 이는 더 높은 해상도를 얻기 위해서임.

 

Radar Block Diagram !

 

 

• Radar 시스템은 하나의 단일 시스템이 아니라, 여러 개의 하위 시스템으로 구성되어 있음. Block으로 표현되는 각 하위 시스템은 특정 기능을 수행함.
  • Waveform Generator에서 생성된 Waveform는 Transmitter에서 증폭되고, Antenna에 전달됨. 이때, Switch가 수신기로 유입되지 않도록 막아줌.
  • Antenna를 통해 Microwave Energy가 대기중에 전파되고, 목표물에 도달함.
  • 목표물에 도달하면, 일부 에너지가 반사되는데, 이 때 반사되는 에너지의 양은 Radar Cross Section에 의해 결정됨. 반사된 에너지는 다시 안테나로 수신됨. 이때, Transmitter가 꺼지고, Receiver가 반사 신호를 듣는 상태로 전환됨.
  • 목표물이 멀수록 신호가 왕복하는 데 시간이 오래 걸리기 때문에, Echo의 지연시간을 측정하면 목표물까지의 거리를 계산할 수 있음.
  • 수신된 신호는 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환하고, Signal Processor로 전달됨. Signal Processor는 Pulse Compression과 Doppler Processing으로 구성됨.
    1. Pulse Compression: 긴 Pulse를 짧은 Pulse로 압축하여 Range Resolution을 개선함.
    2. Doppler Processing: 반사된 신호의 주파수 변화를 분석하여 목표물 속도를 측정함.
  • Mian Computer에 들어온 신호 중에서 신호 강도가 임계값 이상인지 판단하여 목표물로 인식하고, 여러 개의 Pulse를 조합하여 목표물의 움직임을 지속적으로 추적함. 또한, 목표물 거리, 방향, 속도 등을 추정함.
  • 최종 분석된 정보는 Console에서 시각적으로 표현되며, 모든 데이터는 Recoding됨.

 

Radar Frequency Bands

 

 

• Radar 방정식을 통해서 Received Signal Energy를 계산할 수 있음. 즉, 송신된 신호가 목표물에 반사되어 다시 Radar로 돌아왔을 때의 Signal Energy를 계산하는 공식임.
  • Radar가 목표물을 탐지할 수 있는 능력은 Antenna Aperture (즉, Diameter)와 Transmit Power로 결정되는 데, Antenna Aperture가 크고, Transmit Power가 높을수록 목표물을 탐지하기 쉬워짐.
    1. Antenna Aperture: 안테나 크기가 클수록 에너지를 더 집중적으로 방출하여 목표물에 도달할 확률이 높아짐.
    2. Transmit Power: 송신 전력이 높을수록 더 많은 신호가 목표물에 도달하여 반사 신호를 수신할 가능성이 커짐.
  • 주요 변수는 다음과 같음.
    1. Radar Cross Section($\sigma$): 목표물의 크기에 따라 반사되는 에너지의 양이 달라짐.
    2. Range($R$): 신호가 퍼지기 때문에 거리가 멀수록 신호 강도가 감소함. 송출되는 에너지는 거리 제곱에 반비례하게 감소하고, 반사되어 돌아오는 에너지도 거리 제곱에 반비례하게 감소하기 때문에 총 감쇠는 거리 네제곱에 비례함.
    3. Antenna Gain: 안테나의 방향성을 결정함. 특정 방향으로 신호를 집중할 수 있음.
    4. Losses($L$): 신호는 전파되며 다양한 손실을 겪는데, Transmit에서 안테나로 전달되는 과정에서 일부 에너지가 손실될 수 있고, 대기를 통과하는 동안 수증기, 먼지 등과 같은 요인으로 인해 추가적인 손실이 발생할 수 있음.
    5. 수신 시간($\tau$): 수신 시간이 길수록 신호 수집량이 증가하여 탐지 성능이 향상됨.

 

Signal-to-Noise Ratio

 

 

• 목표물 탐지 능력을 측정하기 위해서 Received Signal Energy와 Noise Energy의 비율을 사용함.
  • 수신기 자체에서 발생하는 Noise와 안테나가 수집하는 Microwave Galactic Noise, Power line으로부터 발생하는 Noise 등이 존재하며, 이는 실제 목표물과 관련이 없는 신호임.
  • 일반적으로, Signal-to-Noise Ratio가 20:1이 되는 것이 바람직함.

 

 

• Radar에서는 Power의 비율을 비교할 때, Logarithmic Scale인 dB 단위를 사용함.
  • dB 값이 클수록 신호가 강하고, dB 값이 작을수록 신호가 약함을 의미함.

 

Pulsed Radar

 

 

• Radar 시스템은 Pulse 형태로 에너지를 송출한 후, 일정 시간 동안 신호를 수신하는 과정을 반복함. 즉, Pulse를 송출하고 다시 새로운 Pulse를 송출하는 방식임. 이와 관련된 중요한 용어들이 있음.
  • Peak Power: Transmitter가 활성화되었을 때 순간적으로 전달하는 최대 전력
  • Pulse Length: Transmitter가 활성화되는 동안 유지되는 신호의 시간 길이
  • Pulse Repetition Interval: 각 Pulse 간의 시간 간격
  • Duty Cycle: Radar Transmitter가 활성화된 비율 (위의 예시에서는, 전체 주기 중 10%의 시간 동안 활성화)
    1. Continuous Wave (CW) Radar의 경우 항상 켜져 있기 때문에 Duty Cycle이 100%임.
  • Average Power: 평균 전력
  • Pulse Repetition Frequency: 1초 동안 반복되는 Pulse의 개수 (위의 예시에서는, 1초에 1000개의 Pulse를 송출)