Seunghwan Byun

2026, Aug 28 · Radar / Sensor Physics · Study Note

해상 레이더 Blind Area와 Pulse/FMCW/LiDAR 개념 정리

오늘 공부한 핵심은 해상 레이더에서 가까운 표적이 안 보이는 이유가 하나가 아니라는 점이다. 안테나 높이와 수직 빔폭 때문에 생기는 기하학적 blind area가 있고, 펄스 레이더의 송수신 전환과 pulse width 때문에 생기는 minimum range blind zone이 따로 있다.

1. Blind area를 먼저 나눠서 봐야 한다

해상 레이더의 근거리 음영은 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 첫 번째는 전파 빔이 수면에 아직 닿지 않아 생기는 기하학적 blind area다. 두 번째는 펄스 송신 중 수신기를 보호하거나 송수신을 분리해야 해서 가까운 반사파를 받지 못하는 기술적 minimum range다.

그래서 range scale을 바꿨을 때 blind range가 변한다는 말은 주로 pulse mode, receiver recovery, processing 조건이 바뀌는 기술적 blind range 이야기다. 반대로 안테나 높이와 vertical beam width로 계산되는 값은 장비 설정을 바꿔도 남는 기하학적 기준선에 가깝다.

2. 안테나 높이와 수직 빔폭으로 생기는 blind range

해상 레이더 안테나가 수평 방향을 중심으로 fan beam을 만든다고 보면, 수직 빔폭을 theta라고 할 때 아래쪽 half-power 경계는 대략 theta / 2만큼 아래를 향한다. 안테나 높이를 h라고 하면, 이 아래쪽 경계가 처음 수면과 만나는 거리까지가 근거리 기하학적 음영으로 근사된다.

\[ D_{\mathrm{blind}} = h\,\cot\left(\frac{\theta}{2}\right) \]

우리가 사용한 Furuno radar의 vertical beam width가 \(\theta=22^\circ\)라면 \(\theta/2=11^\circ\)이고, \(\cot(11^\circ)\approx 5.14\)다. 따라서 기하학적 blind range는 대략 안테나 높이의 5.14배다.

중요한 표현은 "51.4m부터 안 보인다"가 아니라, "안테나 바로 아래부터 약 51.4m까지 수면 근처 표적이 메인 빔 아래쪽 경계 안에 들어오기 어렵다"이다. 실제 탐지 여부는 안테나 패턴, sidelobe, 설치 tilt, 표적 높이, RCS, 해면 상태, clutter, 신호처리에 따라 달라진다.

3. Pulse width는 wavelength가 아니다

주파수는 파장을 결정한다. 예를 들어 X-band 레이더의 중심 주파수가 정해져 있으면 파장도 거의 고정된다. 반면 pulse width는 그 주파수의 carrier wave를 얼마나 오래 켜서 내보내는지를 뜻한다.

즉 pulse는 파장 하나가 아니라, 같은 파장의 전파가 일정 시간 동안 이어진 전파 묶음이다. 같은 peak power로 더 오래 송신하면 한 pulse에 실리는 총 에너지가 커진다.

\[ E_{\mathrm{pulse}} \approx P_{\mathrm{peak}}\,\tau \]

여기서 Watt는 Joule per second다. 전기 회로 관점에서는 전압과 전류의 곱으로 볼 수 있고, 레이더 송신 관점에서는 단위 시간당 전자기파로 내보내는 에너지율로 이해하면 된다.

4. 왜 원거리에서는 긴 pulse를 쓰는가

먼 표적에서 돌아오는 echo는 매우 약하다. 같은 peak power라면 pulse width를 늘릴수록 한 번의 송신에 들어가는 에너지가 증가하므로, 먼 거리 왕복 후에도 수신 가능한 echo를 얻기 쉬워진다.

대신 전통적인 pulsed radar에서는 송신 중 수신기를 보호하거나 송수신 경로를 분리해야 한다. 그래서 펄스를 쏘는 동안 너무 가까운 표적에서 즉시 돌아온 echo는 놓칠 수 있다. 이상화하면 minimum range는 다음 항을 가진다.

\[ R_{\min} \approx \frac{c\,\tau}{2} \]

여기서 tau는 pulse width다. 실제 장비에서는 여기에 duplexer recovery, receiver ringdown, leakage, processing blanking 같은 항이 더 붙을 수 있다.

5. FMCW는 무엇이 다른가

FMCW는 frequency modulated continuous wave다. 전파를 끊어서 보내는 대신 계속 송신하면서, 시간에 따라 주파수를 chirp 형태로 바꾼다. 수신 신호와 현재 송신 신호의 beat frequency를 보면 왕복 시간, 즉 거리를 계산할 수 있다.

FMCW는 전통적인 pulsed radar처럼 pulse width 동안 수신기를 완전히 닫는 구조와 다르다. 하지만 이것이 "근거리 한계가 전혀 없다"는 뜻은 아니다. 송신 누설, Tx/Rx isolation, ADC dynamic range, near-field, clutter, leakage cancellation 성능이 가까운 거리 탐지 한계를 만든다.

해상용 레이더도 모두 한 종류는 아니다. 전통적인 magnetron pulse radar, solid-state pulse compression radar, FMCW 또는 broadband 계열 장비가 섞여 있다. 따라서 특정 Furuno 장비가 어떤 방식인지는 모델별 사양으로 확인해야 한다.

6. Range resolution을 다시 정의하기

Range resolution은 "센서가 앞뒤 거리 방향으로 가까이 붙은 두 표적을 두 개로 분리할 수 있는 최소 간격"이다. 레이더에서는 waveform bandwidth가 핵심이다. FMCW나 pulse compression처럼 대역폭 B를 사용하는 경우 일반적으로 다음처럼 근사한다.

\[ \Delta R \approx \frac{c}{2B} \]

단순 uncompressed pulse에서는 pulse width가 길수록 두 표적 echo가 시간축에서 겹치기 때문에 \(\Delta R \approx c\tau/2\)로 이해할 수 있다. 그래서 레이더 raw data는 보통 FFT나 matched filtering 이후 range bin 형태로 나타난다.

7. LiDAR에는 range resolution이 없는 것처럼 느껴지는 이유

LiDAR에도 range resolution이나 range precision은 존재한다. 다만 raw output이 보통 x, y, z point cloud로 나오기 때문에 bin 단위 데이터처럼 보이지 않는다. LiDAR는 빛을 특정 방향으로 쏘고, 돌아오는 시간을 직접 측정한 뒤, 발사 방향과 거리를 조합해 좌표를 만든다.

반면 레이더는 넓은 RF beam으로 공간을 비추고, 돌아온 신호를 range, Doppler, angle 방향으로 신호처리해 분해한다. 그래서 raw 또는 low-level radar data는 range bin, Doppler bin, angle bin 구조로 나타나는 일이 많다. 차량용 radar도 본질적으로 range-Doppler-angle processing을 거쳐 point detection이나 object list를 만든다.

8. LiDAR 하드웨어 방식도 하나가 아니다

LiDAR와 Radar는 신호 획득 메커니즘이 다르지만, LiDAR 내부 방식도 여러 갈래가 있다. Flash LiDAR는 넓게 illumination하고 pixelated receiver가 각 방향의 시간을 재는 방식에 가깝다. Scanning LiDAR는 하나 또는 소수의 beam을 MEMS mirror, polygon mirror, galvo mirror, optical phased array 같은 방식으로 빠르게 조향해 공간을 채운다.

그래서 "solid-state LiDAR"라는 표현은 주의해서 읽어야 한다. 완전히 움직이는 부품이 없는 flash/OPA 계열도 있고, 외형은 고정되어 있지만 내부에 MEMS 같은 미세 구동부가 있는 hybrid solid-state 계열도 있다.

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