레이더

레이더는 물체까지의 정확한 거리와 관측지점에 대한 물체의 상대 속도를 정확히 측정할 수 있다.

레이더

레이더라는 용어는 무선 탐지와 거리측정(radio detecting and ranging)이라는 구절의 첫 글자들을 딴 것이다. 레이더 장치는 대개 마이크로파의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 작동한다. 수신된 전자기파 즉 반향(echo)의 성질을 신호 처리기(singal processor)를 이용하여 증폭하고 분석한다. 처리된 신호는 오퍼레이터나 레이더에 의해 제어되는 주변장치(예를 들면 대공포)가 사용할 수 있는 형태로 변환되어진다.

목표물에 관한 정보(예를 들면 거리·방향·고도)는 대개 음극선관의 스크린에 표시되는데 플랜 포지션 인디케이터(Plan Position Indicator/PPI)와 같이 레이더 빔이 주사(走射)되어지는 지역을 지도의 형태로 나타내기도 한다.

레이더 시스템에는 몇 가지 종류가 있는데 이들은 레이더 송신기에 각기 다른 종류의 신호를 사용하며 수신된 반향에서도 서로 다른 성질을 이용한다. 레이더 가운데 현재까지 가장 널리 사용하는 형태는 펄스 레이더인데, 이것은 무선 에너지를 매우 강한 펄스의 형태로(펄스 사이의 간격은 비교적 긴) 송신하기 때문에 붙여진 이름이다.

가장 가까운 물체에서 반사하는 펄스는 전송한 직후에, 중간 거리에 있는 물체에서 반사한 펄스는 좀더 시간이 지나서, 가장 먼곳에 있는 물체에서 반사된 반향은 펄스 주기에 가까운 시간 뒤에 각각 레이더에서 수신되게 된다. 가장 먼곳에서 반사된 신호를 수신할 수 있을 만큼의 충분한 시간이 지나면 송신기는 펄스를 다시 송신하게 되며 이러한 과정을 반복하게 된다. 펄스를 송신하고 반향을 수신하는 시간 간격은 사용하는 전자기파가 전달되는 속력이 매우 빠르지만 유한한 광속 즉 299,792km/s 사실과 관계가 있다.

이 속력을 레이더 응용에 편리한 단위로 변환하면 1㎲당 300m에 해당한다. 레이더 송신기에서 방출된 전자기파의 에너지가 목적물까지의 거리를 왕복해야 하므로 1㎲초의 지연(遲延)은 레이더 장치에서 물체까지의 거리로는 150m에 해당한다. 거리측정에서 충분한 정밀도를 얻기 위해서는 매우 짧은 시간 간격도 측정할 수 있어야 한다. 허용 오차로 4.6m(15ft)만을 허용할 경우 펄스 시간 간격은 1/30㎲의 정확도로 측정되어야 한다.

전자시간 계측과 화상표시기술에 의해 이와 같이 정밀한 측정이 비교적 쉽고 신뢰성있게 이루어질 수 있다.

레이더 시스템의 2번째 형식으로는 연속파 레이더이다. 이러한 형식의 레이더는 송신 신호를 짧은 펄스가 아닌 연속적인 형태로 송신하므로 반향도 연속적으로 수신된다. 반향의 특정 부분을 송신파의 특정한 부분과 관련을 지을 수 없기 때문에 단순한 연속파 레이더에서는 거리 정보를 얻을 수 없다.

그러나 도플러 변이(Doppler shift) 즉 관측되는 파의 주파수가 물체의 운동에 의해 변화하는 것을 측정하면 목표물의 운동 속력을 결정할 수 있다. 특정한 주파수로 송신되는 신호를 듀플렉서(duplexer：동일한 안테나를 송신기와 수신기로 동시에 사용할 수 있게 하는 기구)를 통하여 공간으로 발사된 신호가 송신기와 일직선 방향으로 이동하는 물체에 의해 반사가 되면 주파수의 변화가 일어난다(도플러 효과). 단순한 연속파 레이더는 거리를 측정할 수 없지만 주파수 변조 레이더로 알려진 좀더 정교한 레이더는 이것이 가능하다.

주파수 변조 레이더에서는 송신되는 신호의 각 부분마다 어떤 표시를 하여 수신시에 구별이 가능하게 하는데 이는 송신신호의 주파수를 주기적으로 계속 변화시켜 얻어진다. 이 경우 수신되는 반향의 주파수는 그때 송신기가 방출하고 있는 파의 주파수와는 다른 값을 가지며 주파수가 시간에 따라 변화하는 비율을 알고 있으면 송수신시의 주파수 차이로써 목표물까지의 거리를 알 수 있다(주파수변조지속파 레이더).

레이더의 형식 중 중요한 또 하나는 광선 레이더 즉 라이더(lidar)인데 이는 무선주파수 대신 매우 좁은 폭을 가지는 레이저 광을 발사시키는 것이다.

이러한 방법은 매우 높은 주파수에서 작동하며 어떤 것은 10⁹㎒의 주파수를 가지는 신호를 송신한다. 그러나 대부분의 무선감지장치는 주파수가 1~10⁵㎒인 신호를 발생시킨다. 레이더의 개발은 독일의 물리학자인 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)의 실험까지 거슬러 올라갈 수 있다.

1880년 중반 헤르츠는 전파의 존재를 증명하고 이들이 빛과 매우 유사한 성질(예：빛이 거울에서 반사하는 것과 같이 물체에서 반사하는 성질)을 가지고 있다는 것을 실증했다. 독일의 기술자인 크리스티안 휠스마이어(Christian Hülsmeyer)는 헤르츠의 발견을 이용한 최초의 사람 중 하나인데, 항해에 사용할 수 있는 무선반향도구(radio echo device)를 개발해 1904년 특허를 획득했다. 하지만 레이더와 유사한 그의 원시적 기구는 기술적인 한계 때문에 사람들의 관심을 끄는 데는 실패하였다.

전파가 물체에 의해 반사되는 현상을 물체를 탐지하는데 응용할 수 있는 가능성은 이탈리아의 기술자인 굴리엘모 마르코니(Gughelmo Marconi)가 1922년에 이 원리에 대해 연구를 하고 난 후 진지하게 고려되어, 이후 미국의 해군연구소(Naval Research Labora-tory)에서 마르코니의 제안을 실험했다. 이 실험에서는 송신기와 수신기 사이를 지나가는 함선을 탐지하기 위해 연속파를 사용했다. 펄스파를 사용하여 거리를 측정하는 원리는 1925년에 이온층 연구를 하고 있던 미국의 물리학자 그레고리 브라이트(Gregory Breit)와 멀 A. 튜브(Merle A. Tuve)에 의해 개발되었다.

이들은 무선 펄스를 대기의 이온층에 반사시켜 반향이 돌아오기까지의 시간을 측정하여 이온층의 높이를 재는 데 성공했다.

1930년대 영국·프랑스·미국·독일은 먼 곳에 있는 항공기와 함선을 시계(視界)가 나쁠 때도 탐지할 수 있는 레이더 시스템에 대한 연구를 시작다. 제2차 세계대전이 발발하기 전 영국은 접근하는 적 항공기에 대해 경보를 할 수 있는 레이더 송신소의 망을 구성했다.

1939년 가을 독일은 프라이야(Freya)라는 지상 항공기 경보 시스템을 생산하기 시작했다. 몇 년이 지나 영국은 비행기에 장착이 가능한 소형의 항공기요격용 레이더를 개발하고 미국은 대포의 조준에 이용할 수 있는 레이더 장비를 내놓았다. 전쟁기간중 미국과 영국의 합동연구에 의해 전함의 자동 사격통제와 장거리 항공기요격용에 특히 적절한 고신뢰성 고출력 마이크로파 레이더 시스템의 개발에 성공했다.

레이더 시스템 설계의 주요부분은 제2차 세계대전이 막바지에 이를 때쯤 거의 확립되었고, 1940년대 후반 이래로 부품과 회로의 발전과 트랜지스터로부터 고밀도 집적회로에 이르는 고체전자소자의 사용으로 레이더는 발전을 거듭했다.

새로운 주사(scanning) 방법의 채용과 신호처리를 위한 고속 디지털 컴퓨터의 채용으로 레이더 장비의 효율과 신뢰성이 크게 향상되었다. 이러한 기술의 진보에 의해 레이더의 응용이 새로운 범위까지 확대되었다.

미국에서는 군사용 분야에서 초고출력의 송신기가 생산 가능하게 되고 수신기의 감도도 점차 증가되어 대륙간 탄도탄(ICBM)의 조기경보를 위한 초장거리 레이더 망도 가능하게 되었다. 최근에 미국과 캐나다는 지구 궤도에 있는 인공위성을 식별하여 감시하기 위해 우주 탐지와 추적 시스템(space detection and tracking system/SPADATS)이라는 레이더 망을 공동으로 운영하고 있다.

현대에 군사응용의 또다른 분야는 미사일의 유도와 정찰(예를 들면 정찰기에 적재되어 운반되는 매핑 레이더) 분야이다.

레이더의 민간 응용분야도 발전하여 상업용 항공기나 항해용 선박의 항해 보조기구로서 주요한 역할을 한다. 공항의 대부분은 정찰 레이더 시스템과, 정밀 근접 레이더 시스템(precision approach radar system)을 갖추고 있어서 공항으로 접근하거나 이륙하는 모든 항공기의 이동을 관제소가 감시하고 제어할 수 있게 해 항공기 충돌을 방지할 수 있어야 한다.

이러한 시스템 덕택으로 관제소는 시계가 좋지 않을 때라도 안전한 착륙을 할 수 있게 조종사에게 도움을 줄 수 있다. 소형 어선과 유람선을 포함해 점차 많은 수의 선박이 근해 항해를 하는 데 적합한 간단한 레이더 시스템을 구비하고 있다. 다수의 항구에는 대형 레이더 정찰장비를 항구가 내려다보이는 해안이나 조수로(助水路)에 설치해 함선의 정박을 돕고 있다. 좁은 구역 내에 있는 함선의 이동을 감시하는 레이더 오퍼레이터는 무전기를 통해 계속 도선사(導船士 pilot)에게 항구의 교통상황에 대한 정보를 제공한다.

레이더는 천문학 연구에서도 유용한 기구로 사용된다(레이더 천문학). 레이더 기술은 광학적 방법에 비해 좀더 정밀한 거리 측정을 가능하게 할 뿐 아니라 행성이나 위성의 표면상태에 대한 연구를 가능하게 한다.

현재까지 천문학자들은 달·화성·금성 표면에 대한 상당히 정밀한 지도를 만드는 데 레이더를 사용했다.레이더로부터 혜택을 받고 있는 과학의 또다른 분야는 기상학이다. 기상예보관이 단기 기상예보를 할 때 지상 레이더나 공중 레이더로부터 많은 도움을 받는다. 이와 같은 장비는 수백km 떨어져서 접근하고 있는 폭풍을 탐지하여 추적할 수 있는데, 이는 강한 레이더의 반향이 구름의 물방울, 얼음 결정, 빗방물, 우박 등에 의해서도 반사가 되기 때문이다. 대기의 에어졸·먼지·분자 등에 대한 기상관측은 대개 광선 레이더를 이용하여 관측한다.

레이더의 회로와 보조기구들이 점차 소형화되어 소형의 휴대용 레이더 설계를 가능하게 했다. 경찰이 고속의 자동차를 탐지하는 데 사용하는 휴대용 연속파 레이더 건(radar gun)은 그 두드러진 예이다. 더욱 소형이며 경량인 것으로 맹인을 위한 지팡이에 사용하기 위해 개발된 광학 레이더 탐지 소자(optical radar sensory device)가 있다.