미국 오클라호마 대학 첨단 레이더 연구 센터(ARRC)의 기상학자, 데이터 과학자, 엔지니어들은 아나로그디 바이스(ADI)와 협력하여 차세대 완전 디지털 편광 위상배열 레이더 시스템을 설계, 제작 및 시험하고 현장에 배치하고 있다.

미국 국립해양대기청(NOAA) 산하 국립 재해 기상 연구소(NSSL)가 자금을 지원하는 이 획기 적이고 혁신적인 시스템은 유례없이 심각한 기상 상태를 실시간으로 감시하고 향상된 예측을 제공하며 보다 일찍 탐지할 수 있다.



토네이도는 깔때기 모양의 회오리 바람이 지면에 도달하면 생명에 심각한 위험을 초래한다. 이러한 위험 상황이 발생하기몇 분 전에 토네이도를 보다 확실하게 탐지하여 토네이도의 경로를 지면 상에서 정확하게 추적할 수 있다면 어떨까?

미국 오클라호마 대학 첨단 레이더 연구 센터(Advanced Radar Research Center, ARRC)의 기상학자, 데이터 과학자, 엔지니어들은 아나로그디바이스(ADI)와 협력하여 차세대 완전 디지털 편광 위상배열 레이더 시스템을 설계, 제작 및 시험하고 현장에 배치하고 있다. 미국 국립해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 산하 국립 재해 기상 연구소(National Severe Storms Laboratory, NSSL) 가 자금을 지원하는 이 획기적이고 혁신적인 시스템은 유례없이 심각한 기상 상태를 실시간으로 감시하고 향상된 예측을 제공하며 보다 일찍 탐지할 수 있다.

ARRC의 국장 겸 기상학 교수인 밥 파머(Bob Palmer)는 “첨단 레이더 시스템을 사용하면 폭풍의 자세한 구조를 확인하고 보다 일찍 회오리 바람을 탐지할 수 있어, 경보 시간을 크게 단축하고 상해를 줄이며 인명 피해를 예방할 수 있다"고 말했다.

ARRC의 이 혁신적인 레이더는 크기, 무게, 전력 소모 및 비용(SWaP+C)이라는 장애물과 엄청난 연산 능력에 대한 과제를 극복해야 한다.

한눈에 보기

ARRC 연구소 : 2005년에 설립된 오클라호마 대학의 첨단 레이더 연구 센터(ARRC)는 첨단 레이더 솔루션의 연구 개발을 통해 안전, 보안, 환경의 질, 그리고 경제적 번영을 향상하기 위해 노력하는 명망 높은 학술 기관이다.

기술 : 낮은 지연, 우수한 해상도와 정확도 및 데이터 품질을 제공하는 레이더 솔루션. 심각한 폭풍 관측을 향상 하기 위해 첨단 신호 처리, 위상배열 레이더 및 검색 알고 리즘을 사용한다.

과제 : 기술의 한계를 뛰어넘어 음향 공학과 과학적 원리에 기반하여 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제안해야 한다. 크기, 무게, 전력 소모(SWaP)를 줄인 대규모 완전 디지털 위상배열 빔포밍 아키텍처와 트랜시 버를 구현해야 한다.

목표 : 향상된 탐지 및 정확한 예측 모델로 인적, 물적 손실을 예방한다. 새로운 레이더 기술을 광범위한 애플리 케이션에 적용하여 자연 재해와 인적 피해를 관측한다.

현상에 대한 보다 나은 이해를 통해 위험을 줄인다.



폭풍의 한가운데에서

오클라호마 주 노만은 토네이도가 세계에서 가장 많이 발생 하는 지역이다. 이곳에서 ARRC의 혁신가들이 모여 심각한 기상 상태를 조기에 식별하고 지속적으로 모니터링할 수 있는 획기적인 레이더 솔루션을 개발하고 있다. 빠르고 정확한 조기 탐지는 보다 확실한 정보에 입각하여 결정을 내릴 수 있게 하므로 조기에 경보를 발령하고 비상 대응 서비스를 제공하여 귀중한 생명과 재산을 보호한다.

ARRC는 한 영역을 지속적으로 스위핑하는 수백 개의 고도 화된 표적 탐지 위상배열 빔을 생성하고 실시간 고해상 이미지를 생성할 수 있는 완전 디지털 레이더 기술로 레이더의 경계를 확장하여 더 높은 정확도를 제공하는 데 주력한다. ARRC의 완전 디지털 솔루션은 보다 정확한 기상 예측과 기상 연구에서 부터 향상된 항공기 추적 및 비협조적인 항공기 감시에 이르기 까지 광범위한 애플리케이션에 활용될 수 있다.

ADI의 멀티마켓 플랫폼 그룹 마케팅을 담당하는 와이어트 테일러(Wyatt Taylor) 디렉터는 “2015년 초에 ARRC는 위상배열 연구 활동에 대한 프리젠테이션에 참석하도록 ADI 를 연구 시설에 초대했다"고 말했다. 당시 ARRC는 ADI의 AD9361 칩을 핵심 부품으로 사용하고 있었다. ARRC 레이더 엔지니어인 매튜 맥코드(Matthew McCord)는 “그 칩은 심각한 폭풍과 조기 토네이도 탐지가 가능한, 완전 디지털 위상배열 레이더를 제작할 수도 있다는 가능성을 처음으로 보여주었다”고 말했다.



“AD9371 칩은 완전 디지털 위상배열 시스템의 핵이자 핵심적인 기능 부품이 되었다.”




호루스 프로젝트(Project HORUS): 기상 관측의 성배

ADI는 당시 개발 중이던 차세대 통합 칩 AD9371을 ARRC에 소개했다. AD9371은 고성능 광대역 RF 트랜시버로서 저전력 소모 수준을 유지하면서 20개의 개별 부품을 대체할 수 있다.

ARRC의 수석 기술자는 아직 발매되지 않은 미공개 칩에 관심을 보였으며, 이에 ADI는 조기 액세스를 제공했다.

맥코드는 “우리는 평가판을 통해 마이그레이션하고 캘리브레이션과 관련된 문제를 해결했다”면서 “ADI는 업데 이트, 앱 지원, 정보 공유 세션을 제공했으며 전체 시스템의 게이트키퍼인 전력 모니터와 전원공급장치에 광범위하게 사용되는 ADP5054를 포함하여 다른 부품들을 제공했 다”고 설명했다.

완전 디지털 레이더: 미래를 향한 거대한 도약

완전 디지털 위상배열 레이더 시스템은 기존 레이더 시스템 보다 훨씬 높은 해상도로 더 많은 빔을 생성하고 더 많은 표적을 추적할 수 있다.



사촌 격인 아날로그 위상배열 방식과 마찬가지로, 완전 디지털 방식은 컴퓨터 명령으로 레이저 빔을 조향함으로써 시스템이 기계적 하드웨어나 모터 또는 회전하는 레이더 접시를 사용 하지 않고도 특정 영역을 빠르게 스캔할 수 있도록 한다.

그러나 아날로그 위상배열은 하드웨어에 의해 성능이 제한된다. 아날로그 시스템은 몇 개의 RF 빔만 생성하거나 수직 차원에서 ‘슬라이스’만 생성할 수 있으므로 해상도와 한 번에 추적할 수있는 표적의 수가 모두 제한된다. 디지털 시스템은 이러한 한 계를 극복하는 외에도 소프트웨어 업그레이드를 통해 새로운 기능으로 간단히 ‘진화’할 수 있다.



아날로그 및 기존 ‘2D’ 레이더

기존 레이더는 수평 차원에서 제한된 수의 빔을 생성하고 저해상도 정보의 슬라이스를 제공한다.



완전 디지털 ‘3D’ 이미징

완전 디지털은 수평 및 수직 차원에서 모두 다수의 빔을 생성하여 상세한 정보를 나타내는 많은 고해상도 ‘슬라 이스’를 생성한다.
ARRC 연구 과학자 겸 기상학 조교수인 데이비드 보딘(David Bodine)은 “기존의 아날로그 기상 레이더 시스템은 보통 폭풍의 위치, 강도, 움직임 등을 탐지하는 데 꽤 뛰어나지만, 심각한 기상 상태를 정확 하게 관찰하고 예측하기 위한 충분한 시간적 해상도와 공간적 범위가 부족하다”고 지적하고 “주변의 폭풍 환경을 정확히 인식하려면 레이더가 수평과 수직 차원에서 모두 고해상 ‘슬라이스’로 보아야 하며, 이를 신속하게 수행해야 한다”고 말했다.

‘소자 수준에서’ 디지털 구현

‘소자 수준에서 디지털을 구현’하면 모든 안테나 (소자) 뒤에 강력한 데이터 컨버터 칩을 사용함으 로써 완전 디지털 감지의 비약적 향상이 가능해진 다. 대규모 완전 디지털 위상배열 레이더 시스템은 20,000개에 달하는 안테나 소자를 탑재할 수 있으 며, 수천 개의 데이터 컨버터를 필요로 한다. 맥코드는 “AD9371의 높은 통합 수준은 소자 수준에서 완전한 디지털을 구현할 수 있게 했다”고 하면서 “이전 같았으면 크기와 비용이 너무 커서 소형 데이터 센터 수준의 공간과 수많은 케이블이 필요했을 것이다.
그랬다면 관련된 모든 사람들에게 악몽이었을 것이다. ADI의 AD9371은 불가능을 가능으로 만드는 기술이었다”고 설명했다.

빔에서 빔을 생성

완전 디지털 방식의 빔은 데이터의 후처리 과정에서 디지털 방식으로 형성된다. ADC 프로세서 칩이 수신 시 되돌아오는 모든 데이터를 처리할 때만 빔이 생성되는데, 간단히 수학을 적용하면 된다. ADI의 테일러 디렉터는 “수학을 계속 재적 용함으로써 필요한 만큼 많은 빔을 만들 수 있다. 데이터를 다시 계산하기만 하면 된다”면서 “빔을 추가적인 빔으로 분할하면 시간 해상도(temporal resolution)를 극적으로 높일 수 있다”고 설명했다.

완전 디지털 방식을 사용하면 천둥 번개가 치는 하늘의 영역을 ‘밝힐’ 수 있다. 그런 다음 실시간 후처리 과정에서 더 많은 빔을 생성하여 더 작은 영역에 초점을 맞춰 우박, 집중 호우 또는 조기 형성 중인 토네이도의 위치를 식별한다.




“ 소자 수준에서 완전 디지털인 위상배열 레이더는 성능이 비약적으로 높아진다.”


형성 중인 토네이도를 조기에 탐지

토네이도는 빠르게 변하는 복잡한 시스템이다. 토네이도의 경로와 토네이도가 초래할 수 있는 피해의 유형을 알아내려면몇 초마다 자세히 관찰해야 한다. 오늘날의 레이더 이미징은 레이더 데이터가 저해상도 정지 프레임에서 기본적으로 기상 학자가 실시간으로 이벤트를 추적할 수 있을 정도로 고해상도 영상으로 발전하고 있다. 완전 디지털 기술은 업데이트를 몇분 단위에서 몇 초 단위로 가속화하므로 과학자와 연구자가 실시간으로 현상을 관찰할 수 있게 해준다.



“ 이 세상에는 두 종류의 기상 레이더가 있다. 데이터를 빠르게 제공하는 레이더와 정확한 공간적 세부 정보가 있는 데이터를 제공하는 레이더가 그것이다. 지금까지는 이 둘이 결합된 적이 없었다.”


미래의 완전 디지털 레이더 애플리케이션

기존 레이더 시스템과 달리, 완전 디지털 레이더는 적응형으로 제어가 가능해 소프트웨어 정의(software-defined) 안테나 패턴과 프로그래밍을 즉시 구현할 수 있다. ARRC의 파머 국장은 “완전 디지털 시스템은 하드웨어를 변경하는 대신 소프트 웨어 업그레이드를 통해 새로운 애플리케이션을 프로그래밍할수 있기 때문에 미래에도 사용할 수 있다”고 말했다.

폼 팩터와 전력 소비에서 추가적인 혁신이 이루어진다면 완전 디지털 레이더 기술 솔루션은 시장 전반에 확산되고, 사회 경제적 혜택을 약속하는 확장 가능한 솔루션을 만들 수 있다. 그러한 예로 다음과 같은 것들을 들 수 있다.



드론 군집 무력화

완전 디지털 레이더 시스템은 식별 정보와 함께 시간과 공간 지점에서 수천 개의 대상을 동시에 추적할 수 있다. 기존 레이더를 사용할 경우, 하늘의 넓은 부분에 걸친 위협에 직면하 면 그 대상이 하나의 거대한 물체인지 아니면 1,000개의 작은 물체인지 알 수 없다.

항공 : 보다 높은 해상도의 이미 징은 항공 교통 관제사가 더 촘촘한 패턴으로 비행기 슬롯을 안전하게 배정할 수 있어 더 많은 노선에 가용한 영공과 향상된 항공 경제 효율을 제공한다.

우주 : 위성 통신을 위한 디지털 빔포밍 솔루션은 차세대 소프 트웨어 정의 위성, 지능형 빔, 빔 특성의 유연성, 그리고 동시에 대응할 수 있는 더 많은 영역들을 가능케 한다. 디지털 레이더의 또 다른 중요한 애플리케이션으로 우주 잔해(우주 쓰레기라 고도 함)의 추적 및 특성화를 들 수 있다. 이러한 우주 잔해들로는 작동하지 않는 위성, 버려진 발사체, 그리고 우주 쓰레기 중가장 많은 비중을 차지하는 것으로서 폐기된 로켓 몸체와 우주 선에서 떨어져 나간 파편들이 포함된다. 2021년 1월 현재 지구 궤도에는 21,901개의 인공물들이 있는 것으로 보고되었으며, 이들은 현재 추적할 수 있을 만큼 충분히 큰 물체들이다. 문제는 이보다 작은 물체들인데, 궤도 속도로 이동하는 작은 물체들이 라도 충돌 시 우주선을 파괴하고 인간이 수행하는 임무를 위험에 빠뜨릴 수 있기 때문에 사실상 위험한 존재들이다.

관제 : 정부 및 군사 시설과 자산을 보호하기 위한 핵심적인 관제 지원을 강화한다.

이중 목적 레이더 : 더욱 향상된 속도, 감도, 스캔 스케줄링, 그리고 좁고 넓은 빔 유연성은 미국 NOAA 국립 기상청 및 연방 항공청(FAA) 같은 조직이 두 가지 작업을 수행할 수 있는 하나의 통합 레이더 시스템을 이용할 수 있는 잠재력을 제공한다.

기상 예측 : 더 정확한 측정은 기상 모델에 양질의 데이터를 공급함으로써 예측 성능을 높이고, 보다 적시에 향상된 폭풍 경보를 제공하여 더 안전하고 효율적인 선박, 항공, 육상 운송을 제공한다.


“우리는 미래의 기회를 포착하기 위해,
ADI가 개발하고 있는 다른 기술들에 계속 주목하고 있다.”
밥 파머, ARRC 국장