도플러 레이더

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1. 개요
2. 원리
3. 역사
4. 종류
5. 응용 분야
6. 한국의 도플러 레이더 활용
- 6.1. 기상 관측
- 6.2. 항공 분야
참조

1. 개요

도플러 레이더는 도플러 효과를 이용하여 물체의 속도를 측정하는 레이더 기술이다. 파원에 대해 상대적으로 움직이는 관측자에게 관측되는 주파수 변화를 이용하며, 연속파, 펄스 도플러, 주파수 변조 방식 등이 있다. 군사용 항공기, 기상 관측, 의료, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 기상 관측에서는 강수 입자의 이동 속도를 측정하여 바람의 움직임을 파악하는 데 사용된다. 또한, 항공기 항법에도 사용되어 왔으나, 관성항법장치에 의해 대체되었다.

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도플러 레이더
지도 정보
기본 정보
종류	레이더
작동 원리	도플러 효과
용도	기상 관측 항공 교통 관제 속도 측정 군사
기술 정보
측정 변수	반사율 속도
주파수 대역	C 대역 S 대역 X 대역 Ka 대역 Ku 대역
안테나 유형	파라볼라 안테나 위상 배열 안테나
상세 작동 원리
도플러 효과	이동하는 물체에 반사되어 돌아오는 전파의 주파수 변화를 측정하여 물체의 속도를 알아냄
레이더 반사도	강수 입자나 다른 물체로부터 반사되는 전파의 세기를 측정
속도 측정	도플러 주파수 이동을 분석하여 레이더를 향하거나 멀어지는 물체의 속도를 측정
활용 분야
기상 레이더	강수 강도, 형태, 이동 방향 측정 토네이도, 태풍 등 악천후 감지
항공 레이더	항공기 위치, 속도 측정 기상 정보 제공
교통 레이더	자동차 속도 측정 교통 감시
군사 레이더	적 항공기, 미사일 탐지 미사일 유도
역사
초기 개발	2차 세계 대전 중 군사 목적으로 개발
기상 레이더 개발	1950년대부터 기상 관측에 활용
추가 정보
펄스 도플러 레이더	펄스파를 사용하며, 거리와 속도 정보를 동시에 측정
연속파 도플러 레이더	연속적인 전파를 사용하며, 속도 정보 측정에 특화

2. 원리

도플러 효과는 레이더에서 방출된 전자기파가 움직이는 물체에 반사될 때 주파수가 변하는 현상이다. 물체가 레이더에 다가오면 반사파의 주파수는 높아지고, 멀어지면 낮아진다. 도플러 레이더는 이 주파수 변화를 측정하여 물체가 레이더 기지에 대해 얼마나 빠른 속도로 가까워지거나 멀어지는지, 즉 상대 속도를 알아낸다.

이 원리를 통해 물체의 접근 또는 후퇴 속도를 파악할 수 있지만, 물체까지의 절대적인 거리를 직접 측정하기는 어렵다. 또한, 단일 도플러 레이더는 레이더 방향으로의 속도 성분만 감지할 수 있으므로, 보다 복잡한 움직임을 분석하기 위해서는 여러 대의 레이더를 사용하는 '''듀얼 도플러 레이더 관측''' 등이 필요하다. 레이더로부터 등거리를 유지하며 이동하는 물체는 상대 속도 변화가 없어 감지가 어려울 수 있다.

최근 단일 기판 마이크로파 집적 회로(MMIC) 기술 발전으로 소형화가 이루어져, 스포츠 분석 장비(트랙맨, 스탯캐스트), 자동차 충돌 방지 시스템^[21]^[22]^[23], 간병 센서^[24]^[25] 등 다양한 민간 분야에서 활용되고 있다.

2. 1. 도플러 효과

레이더를 향하거나 멀어지는 자동차의 속도(160)에 따라 주파수가 변한 반사 신호가 발생한다. 이는 실제 속도(170)의 일부 요소일 뿐이다.

도플러 효과(또는 도플러 편이)는 1842년 오스트리아의 물리학자 크리스티안 도플러가 제안한 것으로, 파원(파동의 근원)에 대해 상대적으로 움직이는 관측자에게 관측되는 주파수와 원래 방출된 주파수 사이의 차이를 의미한다. 사이렌을 울리는 차량이 관측자에게 다가왔다가 지나쳐 멀어질 때 이 효과를 쉽게 경험할 수 있다. 접근할 때는 원래 주파수보다 높게 들리고, 지나치는 순간에는 같게, 멀어질 때는 낮게 들린다.

이러한 주파수 변화는 파원이 관측자에 대해 움직이는 방향에 따라 달라진다. 파원이 관측자를 향해 직접 다가오거나 멀어질 때 변화가 가장 크고, 움직이는 방향과 파동의 진행 방향 사이의 각도가 커질수록 변화는 줄어든다. 파원이 관측자에 대해 직각으로 움직일 때는 주파수 변화가 없다.

야구 투수가 1초에 공 한 개씩(주파수 1 Hz) 포수에게 던진다고 가정해보자. 공이 일정한 속도로 날아가고 투수가 가만히 있다면 포수는 1초에 공 한 개를 받는다. 하지만 투수가 포수를 향해 달려가면서 던지면 공 사이의 간격이 좁아져 포수는 더 자주 공을 받게 된다(주파수 증가). 반대로 투수가 포수에게서 멀어지면서 던지면 포수는 공을 덜 자주 받게 된다(주파수 감소). 만약 투수가 같은 속도라도 비스듬한 각도로 움직이면, 포수와의 거리가 더 천천히 변하기 때문에 포수가 공을 받는 주파수의 변화는 더 작아진다.

투수의 입장에서는 공을 던지는 빈도(주파수)는 항상 일정하다. 이는 마이크로파와 같은 전자기파나 소리에서도 마찬가지이다. 주파수는 파장에 반비례하므로, 도플러 효과는 파동의 파장에도 영향을 미친다. 결론적으로, 파원과 관측자 사이의 상대 속도 차이가 도플러 효과를 발생시키는 것이다.^[2]

관측 대상이 레이더에서 멀어지면 도플러 효과에 의해 반사파의 파장이 길어진다. 반대로 대상이 레이더에 가까워지면 반사파의 파장은 짧아진다. 이 파장의 변화를 측정하면 대상이 레이더 기지에 대해 얼마나 빠른 속도로 멀어지거나 가까워지는지(상대 속도) 알 수 있다. 이 방식으로는 상대 속도와 변위량만 파악할 수 있으며, 대상까지의 절대 거리를 측정하기에는 적합하지 않다.

또한, 단일 도플러 레이더는 레이더에 가까워지거나 멀어지는 1차원적인 움직임만 포착할 수 있다. 따라서 실제로는 여러 대의 도플러 레이더를 동시에 사용하여 관측하는 '''듀얼 도플러 레이더 관측''' 방식을 사용하기도 한다. 두 대 이상의 레이더 관측 결과를 종합하면 대상의 2차원적인 움직임을 파악하는 것이 가능하다. 참고로 레이더 기지에 대해 등거리를 유지하며 원주 상으로 이동하는 물체는 도플러 효과에 의한 주파수 변화가 발생하지 않으므로, 정지 상태와 구별하기 어렵다. 이를 보완하고자 광학 센서 등을 병용하는 경우도 있다.

2. 2. 주파수 변화

도플러 효과(또는 도플러 편이)는 파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자 사이의 상대적인 속도에 따라 파동의 주파수와 파장이 달라지는 현상을 말한다. 1842년 오스트리아의 물리학자 크리스티안 도플러가 처음 제안했다. 우리 주변에서 흔히 경험하는 예로는 사이렌을 울리며 다가오는 구급차나 소방차의 소리가 있다. 차량이 접근할 때는 사이렌 소리가 더 높게 들리고(주파수 증가), 멀어질 때는 더 낮게 들린다(주파수 감소). 차량이 관측자를 지나치는 순간에는 원래의 주파수로 들린다. 이러한 주파수 변화는 파원이 관측자를 향해 직접 다가오거나 멀어질 때 가장 크며, 이동 방향과 파동의 진행 방향 사이의 각도가 커질수록 작아진다. 파원이 관측자에 대해 직각으로 움직일 때는 주파수 변화가 없다.

다른 예시로, 야구 투수가 1초에 한 개씩 포수에게 공을 던진다고 가정해보자(주파수 1 Hz). 투수가 가만히 서 있다면 포수는 1초에 공 한 개를 받는다. 하지만 투수가 포수를 향해 달려가면서 공을 던지면, 공 사이의 간격이 좁아져 포수는 1초보다 짧은 간격으로 공을 받게 된다(주파수 증가). 반대로 투수가 포수로부터 멀어지면서 던지면 공 사이의 간격이 넓어져 포수는 1초보다 긴 간격으로 공을 받는다(주파수 감소). 만약 투수가 비스듬한 각도로 움직인다면, 포수와의 거리가 직접 다가오거나 멀어질 때보다 천천히 변하기 때문에 주파수 변화는 더 작아진다.

투수의 관점에서는 공을 던지는 간격(주파수)이 일정하다. 이는 전자기파인 마이크로파나 소리에서도 마찬가지다. 파동의 주파수는 파장에 반비례하므로, 주파수가 변하면 파장도 함께 변한다. 결국 파원과 관측자 사이의 상대적인 속도 차이가 도플러 효과를 일으키는 것이다.^[2]

레이더에서 나타나는 도플러 편이는 움직이는 거울에 빛이 반사될 때 나타나는 주파수 변화와 동일한 원리로 설명할 수 있다.^[3] 레이더와 표적의 움직임은 일반적으로 동일한 기준 좌표계에서 관측되므로, 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 적용할 필요는 없다.^[4] 빛의 속도를 ''c'', 표적이 레이더에 대해 가까워지거나 멀어지는 속도(방사 속도)를 ''v''라고 할 때, 반사되어 돌아오는 파동의 주파수(

f_r

)는 원래 송신한 파동의 주파수(

f_t

)와의 관계를 통해 다음과 같이 표현된다.

::

f_r = f_t \left( \frac{1+v/c}{1-v/c} \right)

이 식은 다음과 같이 정리할 수 있다.

::

f_r = f_t \left( \frac{c+v}{c-v} \right)

송신 주파수와 수신 주파수의 차이인 "비트 주파수"(도플러 주파수) (

f_d

)는 다음과 같다.^[5]

::

f_d = f_r-f_t = 2v \frac {f_t}{(c-v)}

대부분의 레이더 응용 분야에서는 표적의 속도 ''v''가 빛의 속도 ''c''에 비해 매우 작으므로(

v \ll c

), 분모의

(c-v)

는 근사적으로 ''c''로 간주할 수 있다. 따라서 도플러 주파수는 다음과 같이 근사적으로 표현할 수 있다.

::

f_d \approx 2v \frac {f_t}{c}

이 공식을 통해 도플러 주파수(

f_d

)를 측정하면 표적의 상대 속도 ''v''를 계산할 수 있다. 관측 대상이 레이더에서 멀어지고 있다면 도플러 효과에 의해 반사파의 파장은 길어지고 주파수는 낮아진다. 반대로 가까워지고 있다면 반사파의 파장은 짧아지고 주파수는 높아진다. 이 주파수(또는 파장)의 변화량을 측정함으로써 관측 대상이 레이더에 대해 얼마나 빠른 속도로 멀어지거나 가까워지는지를 알 수 있다. 하지만 도플러 레이더는 기본적으로 상대적인 속도 변화만을 감지할 수 있으며, 표적까지의 절대적인 거리를 측정하는 데는 적합하지 않다.

또한, 단일 도플러 레이더는 레이더를 기준으로 가까워지거나 멀어지는 방향의 속도 성분, 즉 1차원적인 움직임만 포착할 수 있다. 바람의 이동과 같이 2차원 또는 3차원적인 움직임을 파악하기 위해서는 여러 대의 도플러 레이더를 사용하여 동시에 관측하는 '''듀얼 도플러 레이더 관측'''(또는 다중 도플러 레이더 관측)이 필요하다. 2대 이상의 레이더 관측 결과를 종합적으로 분석하면 2차원적인 움직임을 파악할 수 있다.

한 가지 유의할 점은, 표적이 레이더에 대해 등거리를 유지하며 원주 상으로 이동하는 경우, 레이더와의 상대 거리가 변하지 않으므로 도플러 효과에 의한 주파수 변화가 발생하지 않는다. 이 경우 레이더는 표적이 정지해 있는 것과 구별할 수 없다. 이러한 한계를 보완하기 위해 광학 센서 등을 함께 사용하는 제품도 개발되고 있다.

최근에는 단일 기판 마이크로파 집적 회로(MMIC) 기술의 발달로 도플러 레이더 장비가 크게 소형화되었다. 이로 인해 야구나 골프에서 공의 궤적을 분석하는 장비(트랙맨, 스탯캐스트), 자동차의 충돌 방지 시스템^[21]^[22]^[23], 침대나 욕실에서 노약자의 미세한 움직임(맥박, 호흡)을 감지하는 간병 센서^[24]^[25] 등 다양한 민간 분야에서 응용되고 있다.

2. 3. 기술 방식

도플러 효과를 이용하는 기술 방식은 크게 네 가지로 나눌 수 있다.

코히어런트 펄스(CP)
펄스 도플러 레이더(PD)
연속파 레이더(CW)
주파수 변조(FM)

도플러 효과를 활용하면, 레이더 수신기의 좁은 대역폭 필터를 사용하여 느리게 움직이거나 정지한 물체에서 반사되는 약한 신호를 효과적으로 걸러낼 수 있다. 이를 통해 나무, 구름, 곤충, 새, 바람 등 주변 환경 요소로 인해 발생하는 잘못된 신호를 제거하는 데 유용하다. 하지만 이러한 필터링 기능이 없는 저가의 휴대용 도플러 장비는 부정확한 측정값을 보일 수 있다.

초기 도플러 레이더에 주로 사용된 CW(Continuous Wave) 방식은 표적에서 반사되어 돌아온 신호의 주파수와 원래 송신한 신호의 주파수를 비교하여 속도 정보만을 얻는다. 이후 CW 방식은 송신기 주파수를 변화시켜 표적까지의 거리를 함께 측정할 수 있는 주파수 변조 연속파(FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더로 발전했다.

디지털 기술의 발달로 PD(Pulse Doppler) 방식 레이더는 크기와 무게가 줄어 항공기에 탑재할 수 있게 되었고, 코히어런트 펄스 레이더에도 도플러 처리 기능이 보편화되었다. PD 레이더는 하향/사격 능력을 제공하며, 펄스 레이더와 도플러 처리를 결합하여 정확한 속도 정보, 즉 거리 변화율을 측정할 수 있다는 장점이 있다. 거리 변화율은 표적이 레이더에 대해 얼마나 빠르게 가까워지거나 멀어지는지를 나타낸다. 만약 표적의 거리 변화율이 0이라면(예: 레이더 빔과 직각 방향으로 이동하는 경우), 도플러 효과로는 속도를 감지할 수 없고 일반적인 반사율로만 감지할 수 있다.

미 육군 연구소(ARL)에서는 초광대역(UWB) 파형을 이용한 도플러 처리 기술을 연구했다. UWB는 낮은 평균 전력으로도 높은 해상도를 가지며 물체를 투과하는 능력이 있어 잠재력이 큰 기술로 평가받는다. 2013년 ARL 보고서는 정지된 플랫폼에서 UWB 레이더로 이동 표적의 속도를 추정할 때 표적의 거리 이동과 관련된 문제점을 지적했지만^[6], 적절한 매칭 필터를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있다고 제안했다.^[7]

군사 분야에서 도플러 레이더는 두 가지 주요 이점을 제공한다. 첫째, 날씨, 지형, 채프와 같은 방해 요소나 대응책으로부터 오는 반사 신호를 효과적으로 걸러내어 레이더의 탐지 능력을 강화하고, 컴퓨터와 운용자의 부담을 줄여준다. 둘째, 저고도로 비행하는 표적을 탐지할 때, 항상 속도가 0인 지면 클러터(지면 반사파)를 효과적으로 제거할 수 있다. 이에 대응하여, 적 레이더의 추적을 감지한 저공 비행 군용기는 레이더 방향에 대해 수직으로 기동하여 도플러 주파수를 0으로 만들어 레이더 록온을 해제시키고, 강한 지면 반사파 속에 숨어 레이더를 교란하기도 한다.

도플러 효과의 원리는 관측 대상이 레이더 기지에서 멀어질 때 반사파의 파장이 길어지고, 가까워질 때는 파장이 짧아지는 현상을 이용하는 것이다. 이 파장의 변화량을 측정하여 관측 대상이 레이더에 대해 상대적으로 얼마나 빠르게 이동하는지(상대 속도)와 변위량을 알 수 있다. 그러나 도플러 레이더만으로는 절대적인 거리를 측정하기는 어렵다.

또한, 단일 도플러 레이더는 레이더를 향하거나 멀어지는 1차원적인 움직임만 감지할 수 있다는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 여러 대의 도플러 레이더를 동시에 사용하여 관측하는 '듀얼 도플러 레이더 관측' 기법이 사용되며, 이를 통해 2차원적인 움직임을 파악할 수 있다. 참고로, 레이더 기지를 중심으로 등거리를 유지하며 원형으로 이동하는 물체는 도플러 효과에 의한 주파수 변화가 발생하지 않아 정지한 물체와 구별하기 어렵다. 이러한 단점을 보완하기 위해 광학 센서 등을 함께 사용하는 경우도 있다.

최근에는 단일 기판 마이크로파 집적 회로(MMIC) 기술의 발전으로 도플러 레이더가 매우 작아지면서 민간 분야에서도 활발하게 응용되고 있다. 야구나 골프에서 공의 궤적을 분석하는 장비(트랙맨, 스탯캐스트), 자동차의 충돌 방지 시스템^[21]^[22]^[23], 고령자의 침대나 욕실에서 맥박이나 호흡에 의한 미세한 움직임을 감지하는 간병 센서^[24]^[25] 등이 대표적인 예시다. 더 나아가, SAMV (알고리즘)^[26]와 같은 최신 압축 센싱 기술을 적용하여 기존 도플러 레이더의 분해능 한계를 뛰어넘는 초고해상도 구현 연구도 진행 중이다.

3. 역사

도플러 레이더는 무거운 펄스 하드웨어를 제거하여 경량화하는 방향으로 발전했다. 관련된 필터링 기술은 장시간 신호를 통합하면서 정지된 반사 신호를 제거하여, 전력 소모를 줄이면서도 탐지 거리 성능을 향상시키는 장점이 있었다. 군대는 이러한 장점을 활용하여 1940년대부터 도플러 레이더 기술을 도입하기 시작했다.

제2차 세계 대전 중 미국 해군은 항공기의 야간 전투 작전을 지원하기 위해 연속파(CW) 또는 주파수 변조(FM) 방식의 레이더를 개발했다. 이 레이더들은 주로 초고주파(UHF) 대역을 사용했으며, 항공기의 좌현 날개에 송신용 야기 안테나를, 우현 날개에 수신용 야기 안테나를 장착하는 형태였다. 이를 통해 폭격기는 해상 목표물에 접근할 때 최적의 속도로 비행할 수 있었고, 호위 전투기는 야간 작전 중 적 항공기에 정확한 기총 사격을 가할 수 있었다. 이러한 기술은 이후 반능동 레이더 유도 방식에도 적용되었다.

한편, 1951년 칼 에이. 와일리는 주류 도플러 레이더와는 별개로 도플러 원리에 기반한 합성 조리개 레이더 기술을 발명했으며, 이는 "펄스 도플러 레이더 방법 및 수단"이라는 이름으로 특허(#3,196,436)를 받았다.

초기의 도플러 레이더 장비는 성능 확보를 위해 크기가 큰 아날로그 필터에 의존했다. 하지만 아날로그 필터, 도파관, 증폭기 등은 마이크처럼 진동에 민감했기 때문에, 부피가 큰 진동 감쇠 장치가 필수적이었다. 이러한 추가적인 무게는 항공기의 기동성에 부담을 주어, 1970년대까지 도플러 레이더의 항공기 탑재는 야간 작전, 악천후, 강력한 전파 방해 환경 등 특수한 경우로 제한되었다.

1970년대에 들어 현대적인 마이크로프로세서가 등장하면서 디지털 방식의 고속 푸리에 변환(FFT) 필터링 기술이 실용화되었다. 이 기술은 위상 정보를 유지하는 코히어런트 펄스 레이더와 결합되어 속도 정보를 추출하는 데 즉시 활용되었다. 이는 기상 레이더와 항공 교통 관제 레이더 모두에서 유용하게 사용되었으며, 추출된 속도 정보는 소프트웨어 기반 추적 시스템에 추가적인 입력 데이터를 제공하여 컴퓨터 추적 성능을 개선했다. 그러나 대부분의 코히어런트 펄스 레이더는 낮은 펄스 반복률(PRF)을 사용하여 탐지 거리를 극대화했기 때문에, 도플러 처리 능력에는 한계가 있었다. 도플러 프로세서는 레이더 PRF의 ±1/2까지의 속도만 처리할 수 있다. 이는 기상 레이더에는 큰 문제가 되지 않았지만, 항공기의 속도 정보는 저 PRF 레이더에서 직접 추출하기 어려웠는데, 샘플링 속도의 한계로 인해 측정 가능한 속도가 시간당 약 약 120.70km 정도로 제한되었기 때문이다.

디지털 기술이 더욱 경량화되고 저렴해짐에 따라 특수한 목적의 레이더들이 빠르게 개발되었다. 펄스-도플러 레이더는 장거리 탐지 능력과 고속 표적 탐지 능력을 결합한 형태이다. 펄스-도플러 레이더는 중간 또는 높은 PRF(약 3~30kHz)를 사용하여 고속 표적을 탐지하거나 고해상도의 속도 측정을 수행할 수 있다. 일반적으로 이 두 가지 특성 중 하나에 초점을 맞춰 설계된다. 예를 들어, 0에서 마하 2까지의 넓은 속도 범위의 표적을 탐지하도록 설계된 레이더는 속도 해상도가 높지 않은 반면, 고해상도 속도 측정을 위해 설계된 레이더는 탐지 가능한 속도 범위가 넓지 않다. 기상 레이더는 고해상도 속도 측정에 특화된 레이더이며, 방공 레이더는 넓은 속도 탐지 범위를 가지지만 속도 정확도는 수십 노트 수준이다.

안테나 설계 기술도 발전했다. 초기 연속파(CW) 및 주파수 변조 연속파(FM-CW) 레이더는 송신 안테나와 수신 안테나를 분리하여 사용했다. 그러나 1960년대 후반에는 단일 안테나를 사용하는 교통 단속용 레이더가 생산되기 시작했다. 이는 원형 편광 방식과 X 대역에서 작동하는 다중 포트 도파관 섹션을 사용하여 가능해졌다. 1970년대 후반에는 선형 편광 방식과 X 및 K 대역에서 페라이트 순환기를 사용하는 방식으로 변경되었다. 펄스-도플러(PD) 레이더는 송신기와 수신기 사이를 전환하는 가스 충전 스위치를 사용하기에는 PRF가 충분히 높지 않은 경우가 많아, 대부분 송신기가 작동할 때 수신기의 저잡음 증폭기를 보호하기 위해 반도체 소자를 사용한다.

현대의 도플러 시스템은 매우 가벼워져 보병이나 수상함에서 이동하는 지상 목표물을 감시하는 데 충분히 활용될 수 있다. 이 시스템들은 야간이나 모든 기상 조건에서 차량이나 인원의 움직임을 탐지하여 전투 작전을 지원한다. 현대 경찰이 사용하는 속도 측정용 레이더 건은 이러한 시스템을 더욱 작고 휴대 가능하게 만든 버전이라고 할 수 있다.^[8]^[9]

4. 종류

도플러 레이더는 구름 내부의 강수 입자 이동 속도를 관측하여 구름 내부 바람의 움직임을 파악할 수 있어 기상 관측에 널리 사용된다. 특히 공항에서는 이착륙하는 항공기에 위험한 다운버스트 발생을 감지하기 위해 순차적으로 설치되고 있다. 미국에서는 토네이도 감시 및 경보 시스템에 도플러 레이더를 적극 활용하고 있으며(기상 기관, 기업뿐 아니라 다수의 텔레비전 방송국도 자체 레이더 보유), 일본 기상청도 2008년부터 전국 11곳의 도플러 레이더를 이용해 토네이도 주의 정보를 제공하고 있다.

도플러 레이더는 풍속의 1차원 정보만 제공하지만, 레이더 사이트 중심의 풍속 공간 분포로부터 2차원 풍속을 계산하는 VAD(Velocity Azimuth Display)나 VVP(Velocity Volume Processing) 같은 기법이 사용된다.

항공기에 탑재되는 도플러 레이더는 기상 관측 외에도 대지속도를 측정하여 항법에 활용된다. 항공기의 속도 측정에는 주로 피토관이 사용되지만 이는 대기속도(공기와의 상대 속도)를 측정하는 것이므로, 목적지까지의 경로와 시간 예측에 필요한 대지속도를 측정하기 위해 도플러 레이더가 필요하다.

또한, 일반 레이더는 항공기보다 낮은 고도의 비행체를 지면과 구별하기 어렵고, 지면 반사파 때문에 아래쪽 탐지가 제한된다. 이러한 문제를 해결하고 아래쪽을 탐지하는 룩다운 능력을 갖추기 위해 펄스 도플러 레이더가 개발되었다. 펄스 도플러 레이더는 지면 반사파 속에서 이동하는 표적을 식별할 수 있어, 특히 저고도 침투 전술이 일반적인 현대 공중전에서 전투기의 필수 장비로 자리 잡았다.

초계기 역시 해상 함선 감시를 위해 대형 도플러 레이더를 탑재하는 경우가 있다.

최근에는 SAMV (알고리즘)^[26]와 같은 압축 센싱 기술을 이용하여 기존 도플러 레이더의 분해능 한계를 넘어서는 초고해상도 관측이 가능해졌다.

마이크로파 대신 레이저를 사용하는 도플러 라이더도 있다. 이를 통해 해상도가 향상되고 장비를 소형화할 수 있어 경비행기 탑재도 가능하다.

마이크로파 대신 초음파의 도플러 효과를 이용하는 방식도 있으며, 이는 의료 기기나 비파괴 검사 등에 활용된다.^[27]^[28]

마이크로파를 이용한 도플러 센서는 단일 마이크로파 집적 회로(MMIC) 기술의 발달로 과거의 대형 장비에서 벗어나 급격히 소형화되었다. 이 소형화된 마이크로파 도플러 센서는 전자파 인명 탐색 장치나 돌봄 센서 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

5. 응용 분야

도플러 레이더는 다양한 분야에서 활용되며, 대표적인 예시는 항공, 관측 위성, 메이저 리그 베이스볼의 StatCast 시스템, 기상학, 레이더 건,^[10] 방사선학 및 의료(낙상 감지^[11] 및 위험 평가, 간호 또는 진료 목적^[12]), 그리고 이중정지 레이더(지대공 미사일) 등이다.

구름 내부 강수 입자의 이동 속도를 관측하여 구름 속 바람의 움직임을 파악하는 데 널리 사용된다. 특히 공항에서는 이착륙하는 항공기에 위험한 다운버스트 발생을 감지하기 위해 설치되고 있다. 미국에서는 토네이도 감시 및 경보 시스템에 도플러 레이더를 적극 활용하며, 많은 TV 방송국도 자체 레이더를 보유하고 있다. 일본 기상청 역시 2008년부터 전국 11곳의 도플러 레이더를 이용해 '토네이도 주의 정보'를 제공하고 있다. 도플러 레이더 정보 분석 기법으로는 VAD(Velocity Azimuth Display)와 VVP(Velocity Volume Processing) 등이 있다.

항공기에 탑재되는 도플러 레이더는 기상 관측 외에도 대지속도를 측정하여 항법에 활용된다. 항공기의 피토관은 대기속도를 측정하지만, 실제 비행 경로와 시간 예측에는 대지속도 정보가 필요하기 때문이다. 또한, 일반적인 레이더는 항공기 아래쪽의 비행 물체를 지면과 구별하기 어렵지만, '''펄스 도플러 레이더'''는 지면 반사파(클러터)를 제거하고 아래쪽을 탐지하는 룩다운 능력을 갖추고 있어 현대 전투기의 필수 장비가 되었다. 이는 저고도로 침투하는 적기를 탐지하는 데 매우 중요하다. 초계기는 해상 함선 감시를 위해 대형 도플러 레이더를 장착하기도 한다.

표적에 접근하면 폭발하는 근접신관에 사용된다.

최근 단일 기판 마이크로파 집적 회로(MMIC) 기술 발달로 도플러 레이더가 소형화되면서 민간 분야 활용이 늘고 있다. 야구나 골프의 공 궤적 분석 시스템(트랙맨, 스탯캐스트), 자동차의 충돌 방지 장치^[21]^[22]^[23], 고령자의 미세한 움직임(맥박, 호흡)을 감지하는 돌봄 센서^[24]^[25] 등이 대표적이다. 마이크로파 대신 초음파를 이용한 도플러 효과 기술도 있으며, 이는 의료 기기나 비파괴 검사^[27]^[28] 등에 쓰인다. 소형화된 마이크로파 도플러 레이더는 전자파 인명 탐색 장치나 돌봄 센서에도 활용된다.

6. 한국의 도플러 레이더 활용

(내용 없음)

6. 1. 기상 관측

미국 기상국이 1950년대 미국 해군으로부터 얻은 최초의 실험용 도플러 기상 레이더 장비

텔레비전 기상캐스터들이 방송에서 날씨를 보도할 때 흔히 사용하기 때문에 "도플러 레이더"라는 용어가 기상학에 사용되는 레이더 유형과 동의어로 잘못 사용되기도 한다. 대부분의 현대 기상 레이더는 펄스-도플러 기술을 사용하여 강수의 움직임을 조사하지만, 이는 데이터 처리의 일부일 뿐이다.^[13]^[14] 따라서 이러한 레이더는 고도로 특수화된 형태의 ''도플러 레이더''를 사용하지만, 이 유형의 레이더는 의미와 응용 분야가 훨씬 더 광범위하다.

기상 레이더의 도플러 기능에 대한 연구는 여러 국가에서 오랜 역사를 가지고 있다. 1958년 6월, 미국의 연구원 데이비드 홈즈와 로버트 스미스는 이동식 연속파 레이더를 사용하여 토네이도의 회전을 감지할 수 있었다. 나중에 국립 격렬 폭풍 연구소(NSSL)가 된 노먼의 연구소는 이 레이더를 펄스 도플러 레이더로 개조하여 에코의 위치를 더 쉽게 알 수 있도록 하고 출력을 높였다.^[15]

미국에서 1974년 슈퍼 아웃브레이크와 같이 148개의 토네이도가 13개 주를 강타한 사건 이후 연구가 가속화되었다. 당시 반사율만을 측정하는 레이더는 뇌운의 강수 구조만을 찾을 수 있었을 뿐, 중규모 사이클론 회전 및 토네이도 또는 다운버스트의 발생으로 이어지는 바람의 발산을 감지할 수 없었다. NSSL 도플러 레이더는 1971년에 가동되었고, 1980년대 후반에 NEXRAD 네트워크가 배치되는 결과를 가져왔다.^[16]

도플러 레이더는 구름 내부의 강수 입자의 이동 속도를 관측함으로써 구름 내부의 바람의 움직임을 알 수 있기 때문에 기상 관측에 많이 사용된다. 특히 공항에서는 이착륙하는 항공기에 대한 다운버스트 등의 발생을 파악하기 위해 순차적으로 새롭게 설치되고 있다. 미국에서는 토네이도 대책으로 도플러 레이더를 이용한 감시·경보 시스템이 발달되어 있으며, 상당수의 텔레비전 방송국이 자체 레이더를 소유하고 있을 정도이다. 일본에서도 최근 토네이도의 다발 발생에 따라 기상청이 2008년 3월부터 전국 11곳에 설치한 도플러 레이더를 이용한 "'''토네이도 주의 정보'''" 제공을 시작했다.

도플러 레이더로 얻을 수 있는 정보는 풍속의 1차원량에 불과하지만, 레이더 사이트를 중심으로 한 동경 방향의 풍속의 공간 분포로부터 관측 영역 내의 2차원 풍속을 구하는 대표적인 방법으로 VAD(Velocity Azimuth Display)와 VVP(Velocity Volume Processing)가 있다.

6. 2. 항공 분야

국립전자박물관(National Electronics Museum)의 도플러 항법 시스템

도플러 레이더는 항공기와 우주선의 항법 보조 장치로 사용되었다. 레이더로 지면의 움직임을 직접 측정하고, 이를 항공기 계기에서 얻은 대지속도와 비교하여 최초로 풍속을 정확하게 결정할 수 있었다. 이 값은 이후 매우 정확한 사정항법에 사용되었다. 이러한 시스템의 초기 사례 중 하나는 잉글리시 일렉트릭 캔버라에 사용된 그린 새틴 레이더이다. 이 시스템은 매우 낮은 반복률로 펄스 신호를 보내 단일 안테나로 송신과 수신을 모두 처리할 수 있었다. 발진기는 수신 신호와 비교하기 위한 기준 주파수를 유지했다. 초기 위치는 보통 지와 같은 무선 항법 시스템으로 확인했으며, 그린 새틴은 약 563.27km 범위를 넘어 정확한 장거리 항법을 제공했다.^[17] 비슷한 시스템들이 당시 여러 항공기에 사용되었고, 1960년대에는 전투기 설계의 주요 탐색 레이더와 통합되기도 했다.

도플러 항법은 1960년대 상업 항공에서 흔히 사용되었으나, 이후 관성항법장치로 대부분 대체되었다. 장비는 송수신기, 처리 장치, 자이로 안정화 안테나 플랫폼으로 구성되었다. 안테나는 네 개의 빔을 생성했고, 서보 메커니즘으로 회전하여 좌우 안테나의 도플러 편이를 동일하게 맞춰 항공기의 궤적과 정렬시켰다. 싱크로는 플랫폼 각도를 조종석으로 보내 '이류각(drift angle)'을 측정했다. 대지속도는 앞뒤를 향하는 빔 사이의 도플러 편이로부터 결정되었으며, 이 정보는 조종석의 단일 계기에 표시되었다.

일부 항공기에는 추가적인 '도플러 계산기'가 있었다. 이는 도플러로 결정된 대지속도에 의해 속도가 제어되는 모터로 회전하는 강철 공을 포함하는 기계식 장치였다. 이 모터의 각도는 '이류각'에 의해 제어되었다. '앞뒤'와 '좌우'의 두 고정 바퀴는 궤적을 따라 이동한 거리와 궤적을 가로지르는 거리 차이를 출력하는 계수기를 구동했다. 항공기의 나침반이 계산기에 통합되어 해상 대권 항로의 두 지점 사이에 원하는 궤적을 설정할 수 있었다. 이는 당시 사용 가능했던 다른 '사정항법' 방법보다 훨씬 발전된 방식이었다. 일반적으로 로란, VOR, NDB로부터의 위치 고정으로 보완되었고, 최후의 수단으로는 육분의와 크로노미터를 사용했다. 몇 개의 VOR 또는 NDB 범위 내에 있을 때는 몇 마일의 오차로 대서양을 횡단할 수 있었다.

실제로 가장 큰 단점은 해상의 상태였는데, 잔잔한 바다는 레이더 반사가 약해 도플러 측정이 신뢰하기 어려웠다. 그러나 북대서양에서는 이런 경우가 드물었다.

항공기에 탑재되는 도플러 레이더는 위에서 설명한 기상 레이더 외에도, 대지속도를 측정하여 항법에 응용하는 경우가 많다. 항공기에서 자기 속도를 측정하는 데는 주로 피토관이 사용되지만, 이는 대기속도(대기와의 상대 속도)를 측정하는 것이다. 목적지까지의 비행 경로와 시간을 예측하는 데 필요한 것은 대지속도이며, 이를 측정하는 장비가 필요하게 되었다.

또한, 항공기의 경우, 관측 대상의 위치만을 측정하는 레이더는 항공기보다 아래쪽에 위치하는 비행 물체에 대해서는 지면과의 구별이 어려워 감지가 불가능하다. 게다가 지면으로부터의 막대한 반사파(클러터)가 레이더의 허용 한계를 초과하기 때문에, 아래쪽으로 레이더파를 조사하는 것 자체가 어려워진다. 따라서 지면과 항공기를 구별하고, 지면 반사파를 관측 대상에서 제외하며, 자기보다 아래쪽을 탐지하는(룩다운 능력) 기능을 위해 '''펄스 도플러 레이더'''가 탑재되게 되었다. 펄스 도플러 레이더는 특히 전투기에서는 필수적인 장비가 되었다. 현대 공중전술에서는 발견율을 낮추기 위해 가능한 한 저고도로 침투하는 것이 일반적인데, 저고도로 침투한 적기를 탐지하기 위해서는 펄스 도플러 레이더가 필요하다.

초계기는 해상의 함선을 감시하기 위해 대형 도플러 레이더를 장비하는 경우도 있다.

참조

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_[2] 웹사이트 Doppler Principles (Police Traffic Radar Handbook) http://www.copradar.[...] CopRadar.com -- subsidiary of Sawicki Enterprises 2009-07-17
_[3] 서적 Light https://archive.org/[...] Dover Publications 1991
_[4] 학술지 Forward Reflection of Light by a Moving Mirror https://pubs.aip.org[...] 1973-04
_[5] 서적 Radar System Engineering https://archive.org/[...] McGraw-Hill 1947
_[6] 학술지 Doppler Processing with Ultra-wideband (UWB) Impulse Radar https://apps.dtic.mi[...] 2013-03
_[7] 학술지 Doppler Processing with Ultra-Wideband (UWB) Radar Revisited https://apps.dtic.mi[...] 2018-01-01
_[8] 웹사이트 Ground Surveillance Radar Section http://www.ichiban1.[...] 1st Battalion 50th Infantry Association
_[9] 웹사이트 AN/SPG-51 Gun and Missile Fire Control Radar http://articles.jane[...] Jane's Information Group 2012-08-15
_[10] 웹사이트 Police Traffic Radars http://www.copradar.[...] CopRadar.com -- subsidiary of Sawicki Enterprises 2009-07-17
_[11] 서적 Proceedings of the 5th International ICST Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare IEEE PervasiveHealth
_[12] 학술지 Analysis of an Indoor Biomedical Radar-Based System for Health Monitoring https://lirias.kuleu[...] 2013
_[13] 웹사이트 What is weather radar? The ultimate guide https://www.ibm.com/[...] 2023-03-03
_[14] 웹사이트 A Guide for Interpreting Doppler Velocity Patterns https://www.nssl.noa[...] 2023-03-03
_[15] 학술지 Path to NEXRAD Doppler Radar Development at the National Severe Storms Laboratory American Meteorological Society 2005-10
_[16] 웹사이트 Weather radar highlights of NSSL's first 40 years https://www.nssl.noa[...] National Severe Storms Laboratory 2021-01-30
_[17] 웹사이트 Doppler Navigator Development http://www.friendsof[...] Friends of the CRC 1973-09-17
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_[19] 서적 The Micro-Doppler Effect in Radar Artech
_[20] 학술지 Radar micro-Doppler signatures of drones and birds at K-band and W-band https://doi.org/10.1[...]
_[21] 웹사이트 クルマの衝突予防ミリ波レーダー進化で普及加速へ https://www.nikkei.c[...]
_[22] 웹사이트 キーコム http://www.keycom.co[...]
_[23] 웹사이트 「ぶつからない自動車」を支える車載ミリ波レーダー、満を持して量産化へ https://xtech.nikkei[...]
_[24] 웹사이트 3m離れていても心拍数を測定できるマイクロ波センサー https://eetimes.itme[...]
_[25] 웹사이트 OKI、就寝時などの微細な呼吸レベルの動きも検知する「見守りシステム」を発売 http://dot.asahi.com[...]
_[26] 학술지 Iterative Sparse Asymptotic Minimum Variance Based Approaches for Array Processing https://qilin-zhang.[...] IEEE
_[27] 웹사이트 Robust Estimation of Fetal Heart Rate Variability Using Doppler Ultrasound Field - B http://topicideas.or[...]
_[28] 웹사이트 Detection of Breast Microcalcifications Under Ultrasound Using Power Doppler http://topicideas.or[...]
_[29] 웹인용 Police Traffic Radars http://www.copradar.[...] CopRadar.com -- subsidiary of Sawicki Enterprises 2009-07-17

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