초창기 레이다 개발은 국가기밀 사업이었다

미국 F-117 전투기

[김선주 국방과학연구소 수석연구원] 초창기 레이다의 기능은 전자파를 송신해 물체로부터 반사되어 오는 신호 속에서 단순히 표적을 탐지하고 표적간의 거리를 측정하는 것에 국한됐다. 하지만 현대의 레이다 기능은 표적의 인지와 구별을 넘어 영상정보까지 획득하기에 이르렀다.

이러한 기술적 진보에 힘입어 레이다는 현대전에서 핵심적인 센서 역할을 수행 중이다. 최근 화두인 비대칭 전력 혹은 핵 위협 등으로부터 국가를 보호하는 핵심역할을 하는 원거리 정밀타격체계(KIll-Chain)에서 조기에 표적정보를 획득하고 대상 표적을 정밀 추적하는 등의 역할을 수행할 수 있다.

▲ 레이다 게임, 시작되다= 전자파를 이용한 물체의 탐지에 관한 연구들은 1930년대 이전부터 몇몇 국가에서 군사적인 목적으로 비밀리에 진행됐다. 1935년 영국의 로버트 왓슨 와트(Rovert Watson Watt) 연구팀이 거리 40 mile, 고도 1000피트의 항공기를 전자파를 이용해 탐지/추적에 성공했으며, 미 해군이 이 기술을 활용한 장비를 일명 RADAR(RAdio Detection And Ranging)라고 명칭하면서 레이다의 역사가 시작됐다.

2차 세계대전에서 본격적으로 전투기가 전쟁의 중요한 역할을 담당하면서 상대국의 전투기를 조기에 찾아내려는 레이다와 레이다에 자신의 존재를 숨기고 상대국에 침투하고자 하는 전투기 간의 치열한 생존게임, 즉 레이다 게임이 시작됐다. 레이다 게임의 양상은 주요국들의 군비경쟁을 통해 첨단기술로 무장을 했던 냉전(Cold war)시대와 민간분야의 급속한 기술발전을 이룬 1990년대를 지나면서 더욱 치밀하고 치열하게 변모했다.

현대의 교전상황에서는 정밀한 표적정보를 제공하는 레이다와 같은 주요 센서들과, 획득된 정보를 기반으로 높은 명중률을 자랑하는 정밀무기(미사일 등)의 존재로 인해서 전투기의 생존율은 급격히 감소했다. 그 결과, 세계 주요국들은 과거 수십 년 동안 전투기의 생존성을 높이기 위해서 레이다의 전자파 반사를 최대한 감소시켜 레이다가 탐지할 수 없도록 하는 스텔스(Stealth) 기술 개발에 주력하고 있다.

물체에 의해서 재 반사되는 신호를 처리해야 하는 레이다에 있어서 해당 표적이 레이다의 전자파를 ‘얼만큼 반사시키는가’는 중요한 요소이며, 이를 가늠하는 척도가 레이다 반사 단면적(RCS)이다. 스텔스 기술이란 레이다 반사 단면적(RCS)을 매우 작게 만들어서 레이다가 탐지할 수 없게 하는 기술이다. 일반 항공기와 스텔스 항공기의 RCS를 비교하면, 스텔스 표적의 RCS는 특정한 방향을 제외하고 대부분의 방향에서 일반표적에 비해 1/1000 ~ 1/10000 정도 밖에 되지 않는다. 스텔스 기술을 적용하여 작전에 운용된 최초의 전투기는 미국의 F-117 전투기로, 1991년 걸프전에 투입됐다.

▲ 레이다의 구성 및 주요 기능은= 기본적으로 레이다는 송신기, 안테나, 수신기, 신호처리기 및 통제기로 구성돼있다. 송신기는 레이다 시스템에서 약속된 형태의 신호를 생성하고 이를 원거리까지 전송할 수 있도록 전력을 생성 혹은 증폭하는 기능을 수행한다. 과거의 송신기는 진공관 형태의 고출력 발진 및 증폭기들을 주로 사용했으나, 최근 전자공학 기술의 발전으로 인해 반도체 소자로 대체되고 있다.

안테나는 송신기에서 생성된 전기신호를 공중으로 전파시키거나 공중의 전파신호를 전기신호로 전환시켜주는 일종의 정합장치로서, 전자파를 이용하는 레이다에게 가장 중요한 구성품이다. 또한 레이다의 모습을 대표적으로 보여주고 있어 안테나 기술은 레이다의 역사와 밀접한 관련성이 있다.

수신기는 안테나를 통해서 들어온 미약한 신호를 낮은 잡음상태에서 증폭하고, 이를 신호처리가 가능한 주파수 대역으로 변환하는 기능을 수행한다. 원거리의 표적을 탐지하기 위한 레이다의 감도를 결정하는 부분이기도 하다.

신호처리기는 레이다의 주요한 기능과 성능을 담당하는 핵심장치다. 송신된 신호는 표적 신호 뿐 만 아니라 주변 환경에 의한 잡다한 신호들(잡음, 클러터, 간섭신호)과 함께 섞여 들어오는데, 이러한 복잡한 신호들 속에서 원하는 표적신호만을 추출하기 위해 여러 단계의 신호처리 과정을 거친다. 통제기는 인간의 두뇌와 같은 역할을 수행한다. 레이다가 적절하게 동작하도록 모든 장치의 통제를 담당하고, 신호처리된 표적 정보를 외부의 운용자 혹은 운용시스템의 요구에 맞게 후속 가공하는 역할을 수행한다.

▲ 레이다, 어떻게 분류할까= 현재에도 군사용 뿐 아니라 자율주행 차량 레이다와 같이 민수 분야에서도 중요한 정보 획득센서로써 다양한 형태의 새로운 레이다들이 개발되고 있다. 따라서 레이다를 정형적인 틀에서 분류하는 것 자체가 매우 복잡하고 어려운 문제이기도 하다. 레이다는 수행하는 기능, 임무, 탐지거리, 사용 주파수 대역, 탑재위치, 운용파형 및 안테나의 형태에 따라 분류될 수 있다. 예를 들어, 탑재위치의 경우 지상용, 함정탑재, 항공기탑재 및 위성탑재 등으로 구분될 수 있다. 그리고 레이다의 명칭은 이들을 분류체계의 조합으로 구성할 수 있다. 예를 들면 “지상용 단거리 탐색 레이다”, “항공기탑재 능동위상배열 레이다”등으로 명명하기도 한다.

명칭에서도 알 수 있듯이 레이다는 전자파를 이용하는 센서이므로 그 특징은 운용되는 주파수 특성에 크게 좌우되는 경우가 많다. 원거리의 표적탐지를 주목적으로 하는 경우는 낮은 주파수를, 정밀한 표적의 추적을 주 임무로 하는 경우는 높은 주파수를 사용한다. 또한 레이다 안테나를 설치할 공간이 제약되는 경우에는 가능한 높은 주파수를 선정해야 하고, 고출력을 요구하는 경우에는 낮은 주파수대역을 선택해야 할 필요가 있다.

양낙규 군사전문기자 if@asiae.co.kr