OTH
1. 개요
Over The Horizon Radar를 줄인 두문자어이다. 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.
구 소련에는 Duga-3라 불리던 OTH 레이더를 두 기 운용했는데 그 중 하나는 전력공급을 원할히 받을 수 있는 체르노빌 원자력 발전소 근처에 설치했었고 결국 체르노빌 원자력 사고가 터져서 방치해야 했으며, 또 한 기는 시베리아 동부에 위치해 있었다. 레이더 전파는 1989년, 냉전의 종식과 함께 송출이 중단되었고 시설은 현재 폐기되어 있다. (영어 위키백과) 여담으로 콜 오브 듀티: 블랙 옵스 콜드 워의 배드 엔딩 루트 마지막 미션의 무대이기도 하다. 체르노빌 원자력 발전소 사고가 일어나기 이전이라 정상적으로 운영되는 중이었고, 주인공 벨의 함정에 빠진 CIA 요원과 미군이 기지 한가운데서 함정을 파고 기다리고 있던 소련군과 자신을 세뇌한 것에 대한 복수를 진행하는 주인공에게 전원 몰살당하고, 페르세우스의 그린라이트 역이용 계획을 진행하며 주인공 벨이 최종 실행 명령을 내리면서 유럽 주요 대도시에 미군의 중성자탄이 격발되며 수백만 명의 희생자를 내고, 소련을 유럽을 정복하고 나토는 와해된다.
전파를 전리층에 반사시키는 방법도 있었고 대륙간 무선통신용으로 오래전부터 사용하고 있었지만 반사율과 위치가 일정하지 않고 정확한 반사대상의 위치를 특정할 수 없어 레이더용으로는 사용되지 못했다
2. 구성
- 송신용 안테나 어레이
- 수신용 안테나 어레이
- 송신소
- 수신소
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(구 소련 체르노빌 근처에 위치한 Duga-3. 높이 150미터, 세로폭 90미터, 가로폭 900미터이다.)
(위에서 말한) 구 소련의 Duga-3는 무려 10 MW의 출력을 가졌으며 유럽 방향(서쪽)으로 전파를 쏘았기 때문에 전 유럽의 라디오 수신을 방해했다. 10Hz의 펄스음이 마치 딱따구리가 나무에 구멍뚫는 소리같아 러시아 딱따구리(Russian woodpecker)라는 별명을 얻었으며 그 특성(주파수, 출력, 발원지)상 소련의 OTH 레이더 전파라는 것이 잘 알려져 있었다.
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.
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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.[2] 그래서 보통 레이더들은 마그네트론을 이용하여 반송파를 만들어내는데 마그네트론은 증폭관이 아니기 때문에 증폭용으로 진공관 쓰기도 그렇고[3] 결국 Klystron을 사용하여 증폭하게 된다. 다만 Klystron은 다루기 어렵고 크기가 큰 증폭소자[4]여서 이것을 쓰는 방법에 대해서도 많은 연구가 필요했다.
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(Klystron)
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.
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4. 관련 문서
[1] 안테나는 따로 있지만 근접한 위치에 있다.[2] 고압 IGBT도 5.5Kv 정도인데 전파증폭용 트렌지스터는 이미 한계이다.[3] 역시 내압과 출력이 문제. 큰 진공관은 혼자서 수십 kW 의 전력을 처리하지만 이것으로는 무리이다.[4] 소자라지만 사람키만하다.