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삼성전자의 브랜드 송에 대한 내용은 Over the Horizon 문서 참고하십시오.超地平線一
Over The Horizon radar (OTH) / Beyond The Horizon Radar (BTH)
1. 개요
초대형 레이더로 문자 그대로 수평선을 넘어 탐색이 가능한 레이더이다. 지구가 둥글기 때문에 바다에서 수평선 너머를 볼 수 없듯이 일반적인 레이더 전파도 물리학적으로 직선상(line of sight)에 있지 않은 수평선 너머의 대상은 탐색할 수 없다. 냉전 시기에 최소 수천km 밖에서 날아오는 대륙간 탄도 미사일은 기존의 레이더로는 절반 이상 날아와서야 탐지할 수 있었는데 이 문제를 해결한 것이 OTH이다. OTH의 원리는 저주파 회절을 이용하는 방법이었다. 탐색 대상의 거리와 영역이 매우 광범위해서 매우 강한 전파를 쏘아야 했기에 전기를 엄청나게 소모하는 레이더이다.영어 명칭인 Over The Horizon Radar를 줄인 OTH라는 두문자어도 존재한다.
구 소련에는 제식명 ДУГА(두가)라 불리던 OTH 레이더를 세 기 운용했는데 그 중 하나인 두가-1은 전력공급을 원활히 받을 수 있는 체르노빌 원자력 발전소 근처에 설치했었다. 그러나 하필이면 체르노빌 원자력 사고가 터졌고 이 레이더 역시 방사능에 오염되는 바람에 이후 사실상 폐기되었다.[1] 두가-2는 체르노빌과는 정 반대편인 하바롭스크 변경주에 위치해 있었으며 1989년, 냉전의 종식과 함께 송출이 중단되었고 현재는 두가-1과 마찬가지로 방치되는 중이다. (영어 위키백과)
두가-3는 우크라이나 남부에 위치해 있는데, 현재 사용 중인지는 불명이며[2] 인근에 또다른 모델의 OTH 레이더 섹터가 있다. 전파를 전리층에 반사시키는 방법도 있었고 대륙간 무선통신용으로 오래전부터 사용하고 있었지만 반사율과 위치가 일정하지 않고 정확한 반사대상의 위치를 특정할 수 없어 전투기를 탐지하는 용도로는 사용되지 못했다.
탄도 미사일을 조기 탐지하는 역할 말고도 의외의 효과도 있었는데, 다름이 아니라 10Mw의 엄청난 출력 덕에 전 유럽 국가들의 라디오 통신에 큰 장애를 일으켰다. 이 때문에 소련은 상술한 두가를 아주 톡톡히 써먹었다고. 10Hz의 주파수가 마치 딱따구리가 나무를 파는 듯한 특이한 펄스음을 지니고 있어서 "러시아 딱따구리"라는 독특한 명칭이 붙었다.
체코의 한 라디오에서 잡힌 두가3의 소리
유럽 국가들도 마냥 바보는 아니라서, 이 펄스음의 근원이 소련이라는 것은 알고 있었으나 정확한 위치에 대하여는 알 수가 없었는데, 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고 전후로 가동이 중지되자 대충 프리피야트 주변에 있다는 사실까지는 유추했으며, 냉전 종결 이후 우크라이나가 독립하며 정확한 위치가 밝혀졌다.
물론 지금은 여러 국가에서 OTH 레이더를 구동하고 있기에 두가3가 침묵한 이후에도 전파장애는 현재진행형이다. 특히 중국의 OTH 레이더는 DUGA-3 와 비슷한 펄스레이더이기 때문에 넓은 대역에서 10~25Hz 의 펄스음에 시달리기도 하며, 유럽이나 북미쪽으로 가면 미국산 AN/TPS-71의 엄청난 Sweep 이 DX밴드를 초토화하기도 한다. 수 MW 에 달하는 출력이 3~30Mhz 밴드내에 FMCW로 모듈레이션 없이 캐리어주파수를 째로 sweep 하기 때문에 주파수 한 번 걸리면 거의 25khz 에 달하는 대역이 뿅뿅거리는 주파수로 휩쓸려나간다.
2. 구성
- 송신용 안테나 어레이
- 수신용 안테나 어레이
- 송신소
- 수신소
출력이 엄청나기 때문에 하나의 안테나로는 송수신을 동시에 감당할 수 없어서 송신소와 수신소를 분리하고 둘의 데이터를 따로 취합하는 방식으로 운용되었다. 송, 수신에 최적화된 장소에 레이더를 설치할 수 있어 더 효율적인 운용이 가능하게 되었다. 그러나 미국의 OTH는 기술자들과 돈을 갈아넣어 송신소와 수신소를 통합시켜 이를 실현시키는 것에 성공했다.[3]
구 소련 체르노빌 근처에 위치한 두가-1(DUGA-1). 높이 150미터, 세로폭 90미터, 가로폭 900미터이다. [4]
3. 사용되는 주요 기술
- 도플러 레이디오 분석
- Klystron 증폭관 제어 및 사용
- 저주파 레이디오 방사 및 수신
OTH 레이더는 고정국 형태로 운용되기에 전파를 쏘면 거의 대부분 동일한 신호가 돌아오게 된다.
이걸로 보통 지형데이터를 만들고 그걸 다시 제거하면 여기서부터 기술자들의 몫이다. 원리는 1차 레이더 전파를 쏘아서 반향신호를 받아 기억하고 다시 2차 전파를 쏘아서 돌아온 반향신호에서 기억해둔 1차 반향신호를 빼면 그 사이에 달라진 신호만 추출해 낼수 있다. 그러면 지형이나 정지된 물체의 반향신호는 상쇄되어 나타나지 않고 빠르게 이동하는 물체만 레이더에 나타나게 된다.
전파는 지표파를 이용하는 방식과 전리층 반사를 이용하는 두가지가 있다. 지표파를 이용하는 경우에는 낮은 주파수의 초장파를 사용하는데 초장파는 회절이 잘되기 때문에 둥근 지구 표면을 따라 멀리까지 전파된다. 전리층 반사를 이용하는 경우에는 주파수가 높은 HF~VHF 대 전파를 이용하는데 HF 대 전파는 성층권의 전리층에 반사되어 지구가 둥글어도 수평선 너머까지 전파가 잘 전달된다. 쉽게 말해 천정에 거울이 달려있어서 벽 넘어 다른 방을 훔쳐보는 식이다. UHF 대 전파는 전리층에서 반사되지 않고 통과해 우주로 날아가 버린다.
OTH의 목적은 대개 미사일 추적 또는 해양감시 용도이기 때문에, 이동하는 물체에 대한 추적 능력이 좋아야하고, 알다시피 도플러 효과를 통해 반사되어 돌아오는 주파수를 분석하면 ICBM 등을 탐지할 수 있었다. 막 OTH가 개발될 때의 도플러 성능은 0.1Hz 였지만 이걸로도 잘 확인한다고 하니 현재의 미군은 어느 정도일까.
OTH의 출력은 매우 높지만 안테나는 여전히 높은 ohm과 정제파 배율을 가지기 때문에 트렌지스터 구동은 사실상 불가능하다.[5] 그래서 보통 레이더들은 마그네트론을 이용하여 반송파를 만들어내는데 마그네트론은 증폭관이 아니기 때문에 증폭용으로 진공관 쓰기도 그렇고[6] 결국 클라이스트론이라는 특수한 진공관을 사용하여 증폭하게 된다. 다만 Klystron은 다루기 어렵고 크기가 큰 증폭소자[7]여서 이것을 쓰는 방법에 대해서도 많은 연구가 필요했다.
(Klystron, 사진 속 제품은 도시바에서 만들었다.)
마지막으로 저주파 대역을 사용하는 것은 LORAN의 운영에서도 보이지만 상당히 힘들기 때문에 이에 대해서도 대책이 필요했다. 레이더는 많이 민감하기 때문에 전력선에서 발생한 고조파, 내연기관의 점화장치나 전력 서지 등 많은 생활잡음에 취약하다. 대개는 신호처리 기술의 발달로 해결을 보았다.
4. 관련 문서
[1] 다만 이 말만 폐기이지 골조 등 기본 시설물은 아직 남아 있다. 당연하지만, 방사능에 엄청나게 오염된 탓에 저걸 철거하는 것이 사실상 불가능하기 때문이다.[2] 우크라이나 독립으로 폐기되었을 가능성이 아주 높다.[3] 안테나는 따로 있지만 근접한 위치에 있다.[4] 현재는 체르노빌 원자력 발전소 사고에 의해 용도 폐기되었다.[5] 고압 IGBT도 5.5Kv 정도인데 전파증폭용 트렌지스터는 이미 한계이다.[6] 역시 내압과 출력이 문제. 큰 진공관은 혼자서 수십 kW 의 전력을 처리하지만 이것으로는 무리이다.[7] 소자라지만 사람키만하다.