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[기상재해의 저감을 위한 최첨단 리모트센싱 기술 ②] 높은 시공간 분해능을 갖는 Ku밴드 레이더
2016-08-01
[기상재해의 저감을 위한 최첨단 리모트센싱 기술 ②]
높은 시공간 분해능을 갖는 Ku밴드 레이더


최근 다양한 기상관측 인프라가 도입되면서 일기예보의 정확도가 향상되고 있다. 강우량과 그 영역을 실시간으로 관측하는 기상 레이더와 관련하여 일본의 경우 이미 국내에 30기 이상이 배치되어 있으며, 개별적으로 도플러 검출 및 편파(偏波) 기능을 추가한 고기능화가 진행되고 있다. 그러나 한편에서는 토네이도 및 집중호우에 의한 막대한 피해가 여전히 끊이지 않고 있다. 이러한 국지적 이상기상을 조기에 발견하고 예측하기 위해서는 기존에 있던 기상 레이더망의 셀을 더욱 세분화하고 시·공간적으로 고분해능의 데이터를 제공하는 중거리(20~30km) 레이더를 다수 배치하는 것이 바람직하다. 본고에서는 이 고분해능 중거리 레이더의 일례로서 스미토모전공(住友電工)에서 개발한 Ku밴드 레이더의 개요와 관측사례를 소개한다.
정리 편집부

시스템 개요
Ku밴드 레이더의 구성은 안테나, 송신기(High Power Amplifier: HPA), 수신기(Low Noise Amplifier: LNA)로 구성되는 옥외장치와 옥내에 설치되는 안테나 제어장치, 신호처리장치로 이루어진다.([그림 1] 참조) 본고에서는 개발의 기본개념인 「높은 시공간 분해능을 특징으로 한 소형 레이더」의 실현에 있어 핵심이 되는 주파수 선택과 안테나 방식 등에 대해 설명하고, 시스템의 주요 제원([표 1] 참조)을 게재한다.


주파수의 선택
강우분포의 불균일성을 취득하기 위해서는 거리분해능(이하, 레인지(range) 분해능)으로 2~5m 정도의 세밀함이 요구된다. 일반적인 펄스 변조 및 주파수 변조를 고려하면 위의 레인지 분해능에 필요한 주파수 대역폭은 약 80MHz에 달하는 광대역이 되며, 기존의 기상 레이더에서 사용하고 있는 C밴드(5.3GHz 부근)나 X밴드(9.5GHz 부근)에서는 타 무선기기와의 혼신이 발생하기 때문에 면허취득이 매우 어렵다. 따라서 △레이더에 할당되는 주파수대 △상기의 주파수 대역폭을 취득하기 쉬운 Ku밴드(12~18GHz) △Ka밴드(26.5~ 40GHz)가 레이더 중심주파수의 후보가 된다. 한편, 주파수가 높아지면 강우에 의한 감쇠(강우 감쇠) 및 반도체 파워 디바이스의 출력부족으로 충분한 관측 레인지(관측범위)를 확보할 수 없게 된다. 그래서 본 개발에서는 Ku밴드(15.75GHz)를 중심주파수로 채용하기로 했다.

안테나
기존의 기상 레이더 안테나는 주로 기계구동형 파라볼라 안테나가 채용되었지만, 최근에는 방위각(이하, Az)의 회전에만 기계구동을 이용하고, 앙각(이하, El)의 스캔에는 페이즈드 어레이를 이용하는 레이더도 개발되고 있다. Ku밴드 레이더는 고시간 분해능이라는 관점에서, 그 정량적 개발목표로 전체 볼륨 스캔(Az: 0~360도, El: 0~90도)을 1분으로 정했다. 따라서 Az회전에는 적어도 30~40rpm의 회전속도에 견딜 수 있는 구조가 불가피했으며, 장기 안정성의 측면에서 기계구동형 파라볼라 안테나의 채용은 어렵다고 판단했다. 또 페이즈드 어레이 방식은 비용이 상당히 높기 때문에 중거리 레이더를 다수 배치할 시 큰 장벽으로 작용될 우려가 있어 선택지에서 제외시켰다. 이러한 검토를 거쳐 최종적으로 채용하게 된 것은 루네베르크 렌즈라는 전파렌즈이다. 이 루네베르크 렌즈를 안테나로 이용하면 구동계의 간소화 및 경량화를 도모할 수 있고, 그 결과 고속·연속운전에 견딜 수 있는 강도를 확보할 수 있게 된다. 이하, 루네베르크 렌즈의 원리에 대해 간단하게 설명한다.([그림 2] 참조)
루네베르크 렌즈는 1944년에 Luneberg씨가 고안한 유전체 렌즈로, 구상(球狀) 유전체의 중심으로부터의 거리에 따라 비유전율을 변화시킴으로써 평면파(平面波, plane wave)로 입사한 전파가 유전체의 중심에 대해 대칭인 표면상에 초점을 맺는 것이다. 유전체의 형상이 구형이기 때문에 모든 방향에서의 도래파가 개별적으로 초점을 가진다. 이에 따라 렌즈 표면상의 임의의 점이 초점이 될 수 있고, 또한 독립적으로 전파를 수신할 수 있다. 또 가역성이 있기 때문에 초점에서 방사된 전파는 렌즈를 투과함으로써 평면파(平面波)로 방사되어 송신용으로도 사용 가능하다. 이 렌즈의 초점에 소형의 1차 방사기를 설치하면 안테나로서 기능하고, 또 1차 방사기만을 고속으로 움직이면 고속빔 스캔이 실현된다.


송신기
수명, 취급 용이성이라는 관점에서 클라이스트론 등의 기존형 진공관으로 바뀌며 고체소자에 의한 송신기로의 이행이 진행되고 있다. Ku밴드 레이더에 있어서도 GaAs 파워 디바이스를 병렬 합성한 출력 10W의 송신기를 개발했다. 관측범위 20km에서 1mm/h의 강우에코를 검출하기 위한 감도로서 출력 10W를 설계치로 정하였는데 앞으로는 반사강도가 작은 강설에코의 검출 등 감도 향상에 대한 요구가 커질 것으로 예상되고 있다. 그러나 Ku밴드의 GaAs 파워 디바이스에서는 그 이상의 고출력화를 기대할 수 없어 요즘 휴대전화 기지국 등에서 많이 실용화되고 있는 GaN 파워 디바이스로의 모델 체인지(model change)가 앞으로의 과제라고 할 수 있다.
관측범위를 확보하기 위해서는 송신기의 고출력화와 동시에 송신기 출력에서 안테나까지의 급전계 손실, 그리고 수신계의 급전계 손실을 억제하는 것도 고려해야 한다. Ku밴드 레이더에서는 송수신기를 2분할하여 로터리 조인트(rotary joint) 상부에 2nd 국부 발신기(13.75GHz)를 배치함으로써 급전계 손실을 0.5dB 정도로 억제할 수 있게 되었다.

관측사례
여기서는 Ku밴드 레이더에 의한 관측사례 3건을 소개한다.

관측사례1(강수에코의 연직관측)
【관측지: 오사카 대학 도요나카(豊中) 캠퍼스】
안테나의 방향을 천정(레이더 연직방향)에 고정시키고, 고도분해능을 약 5m, 시간분해능을 약 0.017초로 하여 관측을 실시했다. 에코강도가 강한 2개의 강우 지역이 공간적으로 나뉘어져 있는 모습 등 종전의 레이더에서는 얻지 못했던 비의 상세구조를 파악할 수 있다.([그림 3] 참조)


관측사례2(와상(渦狀)에코)
【관측지: 야마가타현 쇼나이 공항 주변】
오사카 대학 및 우주항공연구개발기구(JAXA)가 진행한 야마가타현 쇼나이 공항 주변의 동계 난류 관측 프로젝트에서의 관측사례를 [그림 4]에 나타냈다. 이 그림은 수평면 내의 강우강도(降雨强度, rainfall intensity)를 취득하는 모드에서 관측한 것으로, 4×4km의 영역을 확대 표시한 것이다.(레이더는 우단 중앙에 위치) 중앙 좌측에 수평 스케일 약 1km의 반시계 방향 와상에코, 또 그 우측에 수평 스케일 약 700m의 시계방향 와상에코의 존재를 확인할 수 있다. 동계 관측에서 와상에코를 이 정도로 선명하게 포착하고 있는 예는 과거에 없었으며, 높은 공간분해능의 유용성을 증명해 보인 관측사례로 꼽을 수 있다.


관측사례3(강수코어의 낙하)
【관측지: 수도권】

기상연구소가 수도권에서 실시하고 있는 ‘Ku밴드 레이더를 이용한 관측·해석사례’를 [그림 5]에 나타냈다. 이 그림은 전체 공간의 강우분포를 1분간 취득하는 ‘전체 볼륨 스캔 모드’에서 관측한 데이터를 이용해 1분마다 강수역(32dBZ 이상)의 변화를 3D 렌더링함으로써 강수코어의 낙하 모습을 나타낸 것이다. 상공(上空)에서 강수코어를 검출(그림-1617 JST)하고 나서 4~6분 이후에 지상에 도달하는 것을 알 수 있다. 이것은 Ku밴드 레이더의 ‘고시간 분해능’이라는 특징이 뚜렷하게 나타난 사례라고 할 수 있다.

<Energy News>
http://www.energy.co.kr

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