합성개구레이더

합성개구레이더(SAR : Synthetic Aperture Radar)는 공중에서 지상 및 해양을 관찰하는 레이더이다.

합성개구레이더는 지상 및 해양에 대해 공중에서 레이더파를 순차적으로 쏜 이후 레이더파가 굴곡면에 반사되어 돌아오는 미세한 시간차를 선착순으로 합성해 지상지형도를 만들어내는 레이더 시스템이다. 레이더를 사용하기 때문에 주간 및 야간, 그리고 악천후를 가리지 않는다. 1960년대부터 주로 군용 정찰장비로 개발되기 시작했으며 1980년대에 들어와서 단순한 지형패턴만이 아닌 이동목표 추적(MTI : Moving Target Indicator) 능력을 가지게 되었다.

다른 많은 부분들처럼 합성개구레이더(SAR)도 군용으로 개발되었고 지금도 가장 많은 비중을 차지하고 있으나 점차 민간 분야로 영역을 넓혀가고 있는 중이다(컴퓨터도 곡사포의 탄도 계산을 위해 개발된 것이었다).

합성개구레이더(SAR)를 장착하는 플랫폼은 특별한 제한이 없다. 초기에는 제트기(주로 전투기를 개조한 정찰기)에 한정되었으나, 최근에는 F-15K와 같은 최신형 전투기에는 각 기체마다 장착되어 있으며, 헬리콥터, 대형 정찰기를 비롯하여 무인정찰기에도 장착되고 있으며, 인공위성에도 장착되고 있다.

장착될 때에는 기체 자체에 처음부터 내장되기도 하나(전투기가 이렇다), 별도의 정찰용 포드 형태로 개발된다. 이 방법의 장점은 포드를 달수 있는 기체라면 별도의 개조 없이 현장에서 바로 달 수 있다는 것이다. SAR기술은 미국과 이스라엘, 그리고 유럽 몇 개국이 주도했으나, 최근 한국도 국방과학연구소를 통해 한국형 SAR을 독자 개발한 바 있다.

소련과 미국이 아날로그 처리 방식의 합성개구레이더 위성을 70년대부터 수차례 쏘아 올렸으나 최초의 민간 용도의 SAR 인공위성은 미국이 1978년에 발사한 SEASAT이었다. 80년대에는 우주왕복선을 이용한 SAR 미션이 두 차례 있었다. 1990년대에 들어서 ERS-1/2 (유럽), JERS-1 (일본), RADARSAT-1 (캐나다) 등의 합성개구레이더 센서를 장착한 위성이 발사되었다. 이 외에도 우주왕복선을 이용한 미션이 1996년에 두차례 있어 간섭기법(SAR interferometry; InSAR)과 편광기법(SAR polarimetry; PolSAR)의 발전을 보았다. 2000년에는 우주왕복선 레이더지형미션(Suttle Radar Topograpy Mission; SRTM)을 통해 중·저위도 육지 영역에 대한 디지털표고모델(DEM)을 만드는 성과가 있었다. 2000년에는 부분적인 편광 관측이 가능한 ENVISAT (유럽)이 발사되었고, 2006년에는 JERS-1의 계승으로 볼 수 있는 ALOS(일본)가 발사되었다. 2007년에는 TERRASAR-X(독일)와 RADARSAT-2(캐나다)가 각각 발사되었으며, ALOS를 비롯한 이들 2세대 SAR 센서들은 인공위성은 완전 편광관측이 가능하다. 이들 중에는 간섭기법의 향상을 위하여 add-on 미션들이 계획되고 있는 경우도 있다.

원리

레이더는 원리적으로는 짧고 강한 펄스 전파 빔을 목표지역에 쏘아 그 반사파가 레이더 안테나로 돌아오는 시간을 측정하여 2차원 영상을 구성하는 장치이다. 그런데 이 레이더의 해상력을 높이려면 전파 빔이 가늘고 예리해서 목표지역의 좁은 부분에서 나오는 반사파만 골라 수신할수 있어야 하고(방위 해상도) 내보내는 전파 펄스 자체가 시간적으로 짧아서 반사파도 짧은 펄스로 돌아와야 한다.(거리 해상도) 전자파의 분산이나 굴절을 최소화하기위해서는 되도록 높은 주파수 즉 짧은 파장의 전파를 사용해야 한다.

방위해상도를 높이기위해 예리한 방향성을 가진 오목거울처럼 생긴 포물면 안테나(parabolic anntena)를 쓰는데 이 안테나의 직경이 전파의 파장에 비해 크면 클수록 전파의 회절이 적어져서 예리하게 빔을 한 지점으로 집속하여 보내고 있고 또 받을 수 있다. 이는 천체망원경으로 토성이나 목성같은 천체를 자세히 찍으려면 직경이 큰 렌즈나 반사경을 가진 천체망원경을 사용하여야하는 것과 같은 원리이다. 단지 배율만 높이면 빛의 회절 때문에 상이 뭉개져서 알아볼 수 없게 된다. 안테나의 직경을 전파의 파장으로 나눈 값을 안테나 개구비(開口比, Apature Ratio, AR)라고 하는데 이 개구비가 클수록 빔이 예리해지고 안테나 이득도 높아진다. 그러나 항공기에 탑재해야하는 안테나는 크기나 무게에 제한이 있고 또 큰 안테나를 빠르게 회전시키는 것도 곤란하다. 전파의 파장을 짧게 하는 데도 기술적 한계나 감쇠가 심해지는 등 실용적 문제가 있으므로 종래의 레이더로는 그 해상도에 제한이 있을 수밖에 없다.

그래서 안테나의 직경을 크게 하지 않으면서도 높은 방위해상도를 얻을 수 있도록 개발한 것이 합성개구 레이더이다. 합성개구 레이더에서 사용하는 전파 빔은 비교적 펄스폭도 넓고 안테나 직경도 작아서 빔의 각도 범위도 넓은 편이다. 그 대신 레이더를 비행기나 인공위성에 싣고서 빠르게 이동을 하면서 레이더 반사파를 연속적으로 수신한다. 이렇게 하면 전파가 반사되는 돌아오는 동안 이동한 거리만큼 마치 레이더 안테나의 직경이 길어지는 효과가 나타나므로 보다 예리하게 반사파를 수신할 수 있게 된다. 그러므로 공중에서 넓은 범위의 지상의 고해상도의 영상을 획득하는 데 아주 효과적이다.

고속으로 이동하며 위상이 일치하는(coherent) 전파 빔을 방사하면 전파 빔을 방사한 안테나의 위치와 반사되어 돌아온 반사파를 수신하는 안테나의 위치가 상당한 차이가 나고 이 위치 차이가 수신된 전파의 도플러 편이(Doppler Shift)로 나타난다. 이 도플러 편이의 상대적 편이 특성을 이용해서 대상물과 레이더 안테나 사이의 거리차에 대한 위상보정 방식을 쓰거나 수신지점은 다르지만 위상이 같은 신호를 더하여 합성된 안테나 신호를 획득한다. 즉 레이더가 이동한다는 것을 이용하여 개구면이 작은 안테나로 수신된 연속적인 여러 개의 레이더 신호들을 합성하여 개구면이 큰 안테나의 개구면을 수학적 방법으로 합성한다는 것이다. 그래서 합성개구(合性開口)(synthetic aperture radar, SAR) 레이더라는 이름이 붙은 것이다. 실제로는 빠르게 이동하며 수신한 여러 신호들을 정지한 레이더의 영상처럼 선명하게 보이게 하려면 복잡한 신호처리가 필요하다.

각국의 SAR

• EL/M-2055 : 이스라엘 IAI 사
• KPU-STC : 대한민국 삼성탈레스

바깥 고리

• The Imaging Radar Home Page (NASA SAR missions)
• InSAR measurements from the Space Shuttle
• JPL InSAR Images
• Airborne Synthetic Aperture Radar (AIRSAR) ) (NASA Airborne SAR)
• The CCRS airborne SAR page (Canadian airborne missions)
• RADARSAT international (Canadian radar satellites)
• The ERS missions (European radar satellites)
• The ENVISAT mission (ESA's most recent SAR satellite)
• The JERS satellites (Japanese radar satellites)
• Images from the Space Shuttle SAR instrument
• The Mineseeker Project has technical information about ultra-wideband SAR
• The Alaska Satellite Facility has numerous tehnical documents, including an introductory text on SAR theory and scientific applications