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[기상재해의 저감을 위한 최첨단 리모트센싱 기술 ①]
고속주사를 실현하는 기상용 위상배열 레이더
최근 일본에서는 국지적 호우 및 돌풍에 의한 기상재해가 증가하고 있다. 이 재해를 미연에 방지하고 줄여나가는 데 있어 기상 레이더가 큰 역할을 담당하고 있다. 국지적 호우 및 돌풍은 대부분 발달한 적란운에 의해 발생하는데 기상 레이더는 이 적란운을 관측함으로써 그 발달상태와 내부구조를 감시(모니터링)할 수 있기 때문이다. 또한, 기상 레이더의 관측 데이터는 가까운 장래의 강수 예측 등에도 활용할 수 있다. 이에 따라 기상용 레이더에 대한 수요와 기대가 점차 높아지고 있다. 본고에서는 ㈜도시바에서 개발한 기상용 페이즈드 어레이(위상 배열) 레이더 시스템의 개요와 페이즈드 어레이 안테나의 실측 성능 및 관측 결과에 대해 소개한다. 정리 편집부
1개의 적란운이 생겨나 소멸하기까지의 시간은 약 30분 정도로 보통 사람들이 생각하는 것보다 짧다. 기존의 파라볼라 안테나형 기상 레이더에서는 적란운의 3차원 구조를 포착하는 데 5분~10분 정도의 시간이 소요됐다. 따라서 적란운의 발달 모습을 파악할 시간분해능을 충분히 확보하기 어려웠다. 또 기존의 기상 레이더에서는 「관측 앙각수(仰角數)」라고 하는 앙각 방향을 관측하기 위한 분할수가 10~20 정도로 한정되어 있었다. 그로 인해 공간적 분해능이 떨어져 적란운의 내부를 자세히 관측하기가 어려웠다
그래서 시간분해능의 단축과 관측 앙각수의 증가를 동시에 실현시키기 위해 ㈜도시바에서는 Digital Beam Forming(DBF) 기술을 이용한 페이즈드 어레이(위상 배열) 기상 레이더가 개발되었다.
시스템 개요 [그림 1]은 페이즈드 어레이 기상 레이더의 운용 이미지다. 주파수역은 X대를 사용하고 있으며, 2m 규모의 안테나는 도시에서 발생하는 국지적 호우 및 돌풍 등의 기상현상(대규모 폭풍)을 하층에서 상층까지 실시간으로 파악하기 위해 통상 도시 지역의 빌딩이나 철탑의 옥상에 설치한다. 이번에 개발한 기상 레이더는 이미지(그림)와 다르게 안테나를 레이돔으로 덮고 있다. [그림 2]는 페이즈드 어레이 기상 레이더와 기존형 기상 레이더의 특징적 차이를 모식적으로 나타낸 것이다. 이번에 개발한 페이즈드 어레이 기상 레이더에는 1차원 페이즈드 어레이 안테나를 채용했다. 전방위를 모두 전자적으로 주사하는 방식은 비용이 높아지기 때문에 채용하지 않고, 방위방향은 기계구동으로 하고 앙각 방향만 전자주사하는 방식을 채용했다. 송신 시에는 앙각 방향으로 넓은 선형 빔(팬 빔)을 이용하여 하층에서 상층까지 단번에 전파를 방사하는 한편, 수신 시에는 DBF 기술을 이용하여 수신하고자 하는 방향에만 복수의 빔을 형성하는 멀티빔을 이용한다. 이렇게 하여 3차원 공간을 ‘빈틈없이, 조밀하게, 빠르게’ 관측할 수 있다는 점이 이 시스템의 특징이다.
페이즈드 어레이 안테나의 개발 및 평가
[그림 3]은 페이즈드 어레이 안테나이다. 슬롯 안테나를 16.5mm 피치(pitch)로 128개 배치하고, 안테나 개구면의 높이는 약 2.1m로 하고 있다. 안테나의 뒷면에는 송수신 장치, 수신 장치, 레이더 수신 장치, 레이더 신호처리장치 등을 배치하고 있다. 송수신 장치 및 수신 장치는 각각 8ch의 송수신 및 수신이 가능하기 때문에 배치한 3개의 송수신 장치로 24ch의 송신, 13개의 수신 장치로 128ch의 수신이 가능하다. 레이더 수신 장치는 16ch의 A/D변환이 가능하며, 1ch당 60dB 이상의 다이나믹레인지를 확보하고 있다. 이 장치는 안테나 뒷면에 8개가 배치되어 있으며, 128ch로 동기화된 A/D변환이 가능하다. 레이더 신호처리장치는 128ch의 디지털 신호로부터 빔폭 1도 정도의 수신빔을 DBF로 최대 16빔 동시형성이 가능하다. 이 장치는 안테나 뒷면에 1개 배치되어 있다.실측한 안테나의 방위방향 패턴을 [그림 4]에, 앙각방향의 송신 패턴 및 수신 패턴을 [그림 5]와 [그림 6]에 각각 나타냈다. 방위방향에 대해서는 송·수신 모두 거의 동일한 패턴을 형성할 수 있으며, 불요파(不要波, spurious)가 되는 사이드 로브 레벨(side-lobe level)을 -23dB 이하로 억제할 수 있다.    한편, 앙각방향의 송신 패턴에 대해서는 사이드 로브 레벨 -10dB 이하를 확보하고 있다. 이 패턴을 이용하여 앙각방향으로 시분할 송신함으로써 앙각 0~90도까지를 빈틈없이 방사전파로 덮을 수 있게 하고 있다. 또 앙각방향의 송신 소자수를 적게 하면 빔폭을 넓힐 수 있고, 동시에 감소된 처리수에 따라 형성되는 멀티빔의 수도 늘릴 수 있다. 멀티빔의 증가는 관측시간의 단축으로 이어지게 된다. 시스템의 개발과 시험관측결과 [그림 7]이 개발한 시스템의 외관이다. 안테나의 틸트각을 앙각 30도에 고정하고, 상하방향 -30~+60도의 범위에서 시분할로 송신 또는 수신함으로써 앙각 0~90도까지 빈틈없이 관측할 수 있다. 또 앙각 0도에서의 빔폭 1.2도 이하를 실현, 이를 통해 공간분해능이 20km 위치에서 약 500m, 60km 위치에서 약 1.3km로, 최단 10초 주기로 적란운의 3차원 구조를 파악하는 데 중요한 레이더 반사 인자(Z) 및 도플러 속도(V) 등의 데이터를 취득할 수 있게 되었다. 개발한 시스템은 현재 오사카 대학 내의 건물 옥상에 설치하여 시험관측 중이다. [그림 8]에 그 시험관측결과인 3차원 화상을 나타냈다. 이것은 2012년도의 태풍 4호에 따른 강우상황을 3차원으로 표시한 것으로서, 오사카 남부지역의 강수역(降水域, precipitation area)을 연직단면으로 나타낸 것이다. 현재, 이 관측결과들을 바탕으로 개발한 페이즈드 어레이 기상 레이더 시스템의 평가를 실시하고 있는 중이다.   <Energy News>
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