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신의 눈, 레이더(Radar)



여러분은 게임이나 영화에서 위 사진과 같은 화면을 본 적이 있나요? 레이더(Radar) 기술을 활용하여 물체의 위치, 속도 등을 알려주는 장비입니다. 러시아의 침공에 맞서는 우크라이나 군의 첨단무기에도, 4차산업혁명의 핵심기술인 자율주행자동차에도 레이더기술이 활용됩니다. 또한 레이더를 이용해서 산사태와 같은 재난에서 사람들을 찾을 수 있습니다. 수많은 분야에서 사용되는 첨단기술의 중심에 레이더가 있습니다.


레이더란?

레이더(Radar)란, Radio detecting and ranging의 줄임말로 말그대로 전자파를 이용하여 물체를 탐지하는 기술입니다. 레이더를 이용하면 목표물의 거리와 속도를 알 수 있습니다. 레이더는 물체의 거리와 속도를 전자파로 어떻게 측정하는 걸까요?

우선 전자파를 쏘기 위해서는 안테나가 필요합니다. 안테나에서 전자파를 쏠 때에는 지속적으로 전자파를 쏘는 Continuous wave radar와 짧고 굵게 쏘는 pulse wave radar가 있습니다. 간단하게 cw, pw 레이더라고 부르겠습니다.


Pulse wave와 Continuous wave 레이더

우선 전자파를 쏘기 위해서는 안테나가 필요합니다. 안테나에서 전자파를 쏠 때에는 지속적으로 전자파를 쏘는 Continuous wave radar와 짧고 굵게 쏘는 pulse wave radar가 있습니다. 간단하게 cw, pw 레이더라고 부르겠습니다.

Pulse wave
Continuous wave

먼저 pw레이더부터 살펴봅시다. 원리는 간단합니다. 사방으로 전자파를 쏘고 반사된 전자파가 도착하기까지 시간을 측정해서 반사된 물체까지의 거리를 계산합니다. 2개 이상의 pw를 이용하면 물체의 변위와 시간차를 알 수 있으니 속도를 계산할 수 있습니다. 같은 거리 상에 두 목표물이 있을 때는 어떻게 구분할까요?

이 때는 안테나의 역할이 중요해집니다. 여러개의 안테나를 이용하면 전자파가 나가는 폭을 좁힐 수 있고 전자파가 나가는 방향을 바꾸며 목표물을 정확하게 감지할 수 있습니다. 그 방법에 대해서는 나중에 이야기하도록 하겠습니다. 이렇게 pw방식에서는 여러개의 안테나를 이용하여 전자파가 나가는 방향을 바꿔주면서 전자파를 pulse wave로 쏘아서 물체를 감지할 수 있습니다.


이번엔 cw레이더에 대해 알아봅시다. cw레이더의 원리를 이해하려면 도플러효과에 대해 알고 있어야합니다. 도플러 효과는 파동원과 관찰자의 상대속도에 따라 진동수가 달라지는 현상입니다. 파동원과 관찰자가 멀어지면 진동수가 작아지고 가까워지면 진동수가 커지게 됩니다. cw레이더는 물체에 반사되어 돌아오는 반사파의 진동수를 이용해서 물체의 속도를 알 수 있습니다. 하지만 이 cw레이더는 연속적인 파형을 쏘기 때문에 신호가 수신될 때까지의 시간을 알 수 없어서 물체의 거리는 확인이 불가능합니다. 그래서 물체의 위치를 알기 위해 cw레이더는 전자파를 일정한 주파수로 쏘는게 아니라 시간에 따라 주파수를 올립니다. 그러면 반사되어 돌아오는 전자파도 시간에 따라 주파수가 올라가기 때문에 이를 통해 물체의 위치를 확인할 수 있습니다.

도플러효과
위상배열레이더

전자파의 폭과 방향을 조절할 수 있는 방법에 대해 알아보겠습니다. 위상배열기법이라는 이 방법에는 2개 이상의 안테나가 필요합니다. 전자파도 파동이기 때문에 각각 안테나에서 전자파를 보내면 전자파들이 만나서 보강간섭과 상쇄간섭이 일어나게 됩니다. 상쇄간섭이 일어나는 부분에서는 파동이 없어진 것이기 때문에 돌아오는 파동이 없을 것이고 보강간섭이 일어나는 곳에서는 파동이 더 강해지게 됩니다. 파동을 쏘는 시간차를 이용하면 보강

간섭이 일어나는 마루의 위치를 조절할 수 있는데 이를 통해서 이동하는 물체를 따라가며 탐지할 수 있는 것입니다. 두 파동의 위상차를 이용하는 것이기 때문에 이러한 방법을 위상배열기법이라고 부르고 위상배열기법을 이용하는 레이더를 위상배열레이더라고 부릅니다.


보강간섭과 상쇄간섭
위상배열레이더
레이더의 역사

그렇다면 레이더는 어떻게 발명된 것일까요? 레이더는 황당한 질문에서 시작되었습니다. 1935년 정부 연구기관에서 일하던 '왓슨 와트'는 영국항공부로부터 전자파발신기로 살인광선을 쏘아 올려 적의 전투기에 피해를 줄 수 있냐는 황당한 문의를 받았습니다. 와트는 전파를 허공에 쏘았을 때는 사라지지만 물체가 있으면 반사되어 돌아온다는 전파의 성질에 주목했습니다. 그의 동료 아놀드 윌킨스는 라디오파를 쏘았을 때 반사된 전파를 탐지할 수 있을지 계산했습니다. 그는 비행기의 금속부분에 전파세기의 1/1000만 닿아도 반사파를 탐지할 수 있다는 결론을 내렸고 와트는 오실로스코프를 사용해 13km밖의 비행기를 탐지하는데 성공했습니다. 이를 확인한 영국은 남부지역에 금속송신탑과 목재 수신용 탑을 세워 세계최초의 레이더 시스템이 탄생하게 됩니다. 레이더는 세계 2차대전에서 독일군의 잠수함을 찾아내거나 기상관제탑에서 사용되며 발전해왔습니다. 그 결과 오늘날의 레이더는 수백 km 밖에서 야구공을 탐지할 수 있을 정도로 발전했고 무기 뿐만 아니라 자율주행 자동차 같은 상업분야에서도 활발하게 이용되고 있습니다.

영국의 초기 레이더 시스템
미래를 열어가는 레이더

2019년 과학기술정보통신부는 자율주행 센서, 실내 네비게이션, 재난구조, 시설물 보안 등을 가능하게 하는 지능형레이더 기술개발을 주제로 전파연구센터를 선정했습니다. 과거 무기분야에서만 치중되어 있던 레이더는 이제 우리 일상 속에서 우리의 삶을 더 편리하게 해주며 더 나은 미래를 위해 발전하고 있습니다.


 

박재희 학생기자 | Physics & Earth Science | 지식더하기


참고자료

[1] https://www.livescience.com [2] 지능형 레이더 기술 동향 - 구본태, 박필재, 한선호

[3] http://www.bom.gov.au

첨부 이미지 출처

[1] https://www.colourbox.com [2] https://owldictionary.com

[3] https://gsegon.wordpress.com [4] https://earthsky.org

[5] https://forum.huawei.com [6] https://www.bbc.com


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