다기능 단계 배열 레이더

Multifunction Phased Array Radar
다기능 단계 배열 레이더
Par installation.jpg
MPAR은 2003년에 설치되었다.
원산지미국
소개했다2003
No. 지은1
유형기상/항공 교통 레이더
빈도3,200 MHz(S 밴드)
PRF918Hz
보폭측면 1.6° - 45°[1]에서 2.2°
펄스 폭2.5μs로 조절 가능
RPM기계 조향
고도360m(1,180ft)
지름3.7m(12ft)
방위각기계식 조향 - 작동 전개 시 4개 이상의 안테나 예상
표고60도까지
힘750kW

다기능 단계 배열 레이더(MPAR)는 단계 배열 기술을 활용한 실험용 도플러 레이더 시스템이다. MPAR은 고도 60도 각도로 스캔할 수 있으며 기상 현상, 생물학적 전단, 비협조 항공기, 항공 교통을 동시에 추적할 수 있다. 2003년부터 2016년까지 미국 본토 내에서 운용 중인 MPAR이 1개 있었는데, 이는 미국 해군이 NOAA에 대여한 용도변경된 AN/SPY-1A 레이더 세트였다.[2] MPAR은 2016년에 해체되어 제거되었다.

NOAA와 FAA는 개념적으로 MPAR과 유사한 수백 개의 단계 어레이 레이더에 유리한 NEXRAD, TDWR 및 ASR 레이더를 결국 폐기할 계획이다.[3]

역사

MPAR은 미 해군 선박용 레이더인 AN/SPY-1에서 유래되었다. 1973년 USS Norton Sound에 설치된 이후 처음으로 AN/SPY-1은 미 해군의 표준 공중 수색 레이더와 몇몇 다른 동맹국의 해군이 되었다. 사용 중 레이더가 인근 산악지형의 곤충 떼와 잡동사니를 감지해 허위경보율이 높은 것으로 나타났다.[4] 군사용 방공 레이더에는 문제가 있지만 이는 기상 레이더에 이상적이며 단계별 배열 레이더가 기상 스펙트럼에서 구현될 수 있는 가장 유력한 후보로 떠올랐다. 1990년대까지 AN/SPY 계열의 다른 버전이 등장하자, 2003년 미 해군은 기상 연구를 위해 NOAA에 잉여 AN/SPY-1A 레이더를 대여했다. NOAA는 오클라호마주 노먼에 있는 국립 중풍 연구소에 안테나와 그 부품을 보관하기 위해 탑과 받침대를 세웠다.[5][6]

배치

2013년 5월 31일 오클라호마 단계적 배열 레이더 반사율

재래식 레이더는 일반적으로 레이더 빔의 초점을 맞추기 위해 큰 포물선 접시를 사용하며, 방위각과 고도로 접시를 이동시키기 위해 모터에 의존한다. 이와는 대조적으로 단계 배열은 안테나 배열로 평판 패널에 있는 많은 작은 안테나로 구성되어 있으며, 각 안테나 요소에서 방출되는 신호의 위상을 변경하여 레이더 빔을 전자적으로 조종한다. 각 원소의 신호는 원하는 방향으로 함께 추가되고, 다른 방향으로 취소되는데, 이것은 간섭이라고 알려져 있는 현상이다. 이 기능은 모터와 움직이는 부품에 대한 필요성을 없앨 수 있으며, 이것은 신뢰성을 증가시키고 시스템 비용을 감소시킬 수 있다.[7] 단, 평면 패널 단계별 배열이 빔을 조향할 수 있는 각도는 최대 120°로 제한되며, 90°는 더 현실적이다. 이것은 서로 직각으로 장착된 4개의 패널이 360° 커버리지 전체를 제공하거나 기존의 접시 레이더와 같이 회전 받침대에 장착되는 패널의 수를 줄여야 함을 의미한다.[8] 다른 대안은 실린더에 배열된 많은 높지만 좁은 안테나 스트립으로 레이더를 구성하는 것이다.[8]

2003년부터 2016년까지 MPAR은 단계별 배열 레이더의 기상학적 잠재력을 검증하기 위한 개념 증명 시험으로 사용되는 국가기상레이더 시험대(NWRT)의 핵심을 형성했다. MPAR은 항공기를 추적하는 동시에 훨씬 더 빠른 볼륨 스캔, 포괄적인 풍력 프로파일링, 초세포 구조에 대한 더 완전한 통찰력을 제공했다.[9] 시간 분해능은 30~60초, MPAR이 사용하는 1개 섹터 스캐닝 솔루션으로 인해 심각한 폭풍·토네이도 경고 리드 타임은 기존 13분보다 무려 8분 증가했다.[10][11]

현재 배치된 NEXRAD 레이더와 비교할 때 MPAR의 한 가지 단점은 MPAR이 레이더 빔의 극지향, 즉 이중 극성을 지원하지 않는다는 것이었다. 이중극화 기술은 떨어지는 빗방울이 공기저항으로 인해 평평한 형태를 띠는 점을 악용해 수평면에서는 수직면과는 다른 신호를 되돌린다.[12] 마찬가지로, 눈, 우박, 새, 곤충 등 다른 물체들도 두 비행기에서 레이더 빔을 다르게 반사한다. 이러한 차이는 레이더에 의해 측정되고, 컴퓨터 알고리즘이 데이터를 처리하며, 탐지된 강수량의 특성에 대한 결론을 도출한다. 편광 레이더는 토네이도 감지, 강우량 측정, 강수량 유형 차별 등의 개선사항을 제공한다.[13][14][15] 이중극화 기능은 2011년부터 기존 NEXRAD 레이더에 롤아웃돼 2013년 4월까지 완성됐다.[16] 1970년대 디자인인 MPAR은 극지방적 기능을 가지고 있지 않았고 그것을 다시 장착하는 것은 불가능하지는 않더라도 비용이 많이 들 것이다.[17][18] 이러한 제한은 MPAR 후속 조치에서 다루었다(아래 섹션 참조).

비금속학적 응용

기상 관측 외에도, MPAR은 항공 교통 감시를 할 수 있었다 - 이것은 MPAR이 파생된 강력한 AN/SPY-1 레이더의 원래 역할이었다. 날씨를 동시에 감시하면서 항공기를 탐지하고 추적할 수 있는 능력은 FAA의 관심을 끌었다. FAA는 항공 교통 관제 목적(예: ASR 시리즈)을 위해 수많은 레이더를 운용하는 것은 물론, 새떼, 윈드 시어, 마이크로부 등 항공기에 대한 위험을 감지하기 위해 공항 인근 지역화된 기상 레이더(TDWR 장치)를 운용한다.rsts, 다른 것들 중에.[19] 9개의 다른 접시 기반 레이더 모델은 하나의 단계적 배열 레이더로 대체될 수 있다.[20] 이러한 서로 다른 유형의 레이더와 그 기능을 하나의 모델로 통합하면 필요한 레이더의 최대 1/3을 줄이고, 훈련과 유지보수를 간소화하고, 예비 부품의 공통성을 통해 신뢰도를 높임으로써 비용을 절감할 수 있다.[19][21]

퇴직 및 후계자

MPAR은 재래식 기상 레이더와 공중 감시 레이더에는 사용할 수 없는 독특한 특징을 가진 강력한 레이더였지만, 구형 부품을 사용한 구형 설계였고 하드웨어 업그레이드 잠재력은 심각하게 제한적이었다. 많은 면에서 기존 레이더에 비해 열세였다. MPAR은 보다 발전된 레이더의 길을 개척하기 위해 2016년 8월 26일 해체되고 타워 구조에서 제거되었다.[22]

첨단 기술 시승기 평면 패널 안테나

MIT 링컨 연구소는 MPAR의 개발과 운영에서 얻은 많은 교훈을 통합하여 이중극성 MPAR 후계자를 설계하기 위한 프로젝트를 지휘했다.[21] 첨단기술시범기(ATD)로 불리는 이 시제품은 지난 2018년 7월 12일 MPAR이 있던 탑에 설치돼 2019년 본격 가동될 전망이다.[22][23] ATD 레이더는 MPAR과 마찬가지로 시야가 90°인 S밴드 평면 패널 단계 배열이다. 76개의 사각 패널로 구성되어 있으며, 각각 64개의 복사 요소(총 4,864개의 요소)가 14피트(4.3m) 안테나에 배열되어 있으며, NEXRAD 접시 안테나가 사용하는 것과 유사한 회전 받침대 위에 탑재되어 있다.[24]

참조

  1. ^ Borowska, Lesya; Zhang, Guifu; Zrnić, Dusan S. (2015). "Considerations for Oversampling in Azimuth on the Phased Array Weather Radar". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 32 (9): 1614–1629. Bibcode:2015JAtOT..32.1614B. doi:10.1175/JTECH-D-15-0018.1.
  2. ^ "Multi-Function Phased Array Radar". NOAA National Severe Storms Laboratory. Retrieved 2019-02-02.
  3. ^ "Research Tools:Multi-Function Phased Array Radar". nssl.noaa.gov. Retrieved 2017-09-26.
  4. ^ Friedman, N. (2006). The Naval Institute Guide to World Naval Weapon Systems. Naval Institute Press. p. 316. ISBN 9781557502629. Retrieved 2017-09-26.
  5. ^ "Radar". NOAA National Severe Storms Laboratory. Retrieved 2019-02-02.
  6. ^ Hondl, Kurt (2015-02-25). "Multi-Function Phased Array Radar (MPAR) Overview" (PDF). National Severe Storms Laboratory. Archived from the original (PDF) on 2018-10-05. Retrieved 2019-02-02.
  7. ^ "Future Weather Doppler Radar Feasibility Study" (PDF). Office of the Federal Coordinator for Meteorological Services and Supporting Research. 2004-02-26. Archived from the original (PDF) on 2014-06-29. Retrieved 2019-02-01.
  8. ^ a b "Multi-function Phased Array Radar and Cylindrical Polarized Phased Array Radar – Report to Congress" (PDF). 2015. Archived from the original (PDF) on 2019-02-01. Retrieved 2019-02-02.
  9. ^ "Testbeds". NOAA National Severe Storms Laboratory. Retrieved 2019-02-02.
  10. ^ John Cho and Sean Duffy (2011-07-28). "Multifunction Phased Array Radar (MPAR)" (PDF). Retrieved 2017-09-26.
  11. ^ Heinselman, Pamela (14 August 2012). "Exploring Impacts of Rapid-Scan Radar Data on NWS Warning Decisions". Weather and Forecasting. 27 (4): 1031–1044. Bibcode:2012WtFor..27.1031H. doi:10.1175/waf-d-11-00145.1.
  12. ^ "Dual Polarized Radar". NOAA National Severe Storms Laboratory. Retrieved 2019-02-02.
  13. ^ "Q&As on Upgrade to Dual Polarization Radar" (PDF). Radar Operations Center. 13 August 2012. Archived from the original (PDF) on 30 May 2018. Retrieved 2 February 2019.
  14. ^ "Polarimetric Radar Page". CIMSS. 2003-02-17. Archived from the original on 2018-08-22. Retrieved 2019-02-02.
  15. ^ Carey, Larry (2004-08-31). "Lecture on Polarimetric Radar". Texas A&M University. Archived from the original (PDF) on 2016-03-03. Retrieved 2019-02-02.
  16. ^ "NOAA's National Weather Service completes Doppler radar upgrades National Oceanic and Atmospheric Administration". www.noaa.gov. Retrieved 2019-02-02.
  17. ^ Jerry Crain (2006-11-01). "Polarization for Phased Array Weather Radar" (PDF). Retrieved 2017-09-26.
  18. ^ "FY 2016 Multi-function Phased Array Radar Program Report to Congress" (PDF). National Severe Storms Laboratory. 2017. Archived from the original (PDF) on 2017-08-28. Retrieved 2019-02-02.
  19. ^ a b Herd, Jeffrey (2012-10-18). "MPAR Proof of Concept Demonstrator". Federal Aviation Administration Contract Opportunities. Archived from the original on 2018-06-20. Retrieved 2017-09-26.
  20. ^ "Technical Seminar Series MIT Lincoln Laboratory". www.ll.mit.edu. Retrieved 2019-02-02.
  21. ^ a b "MIT Lincoln Laboratory: FAA Weather Systems: MPAR". www.ll.mit.edu. Archived from the original on 2016-06-08. Retrieved 2017-09-26.
  22. ^ a b "NWRT ATD Installation". wdssii.nssl.noaa.gov. Retrieved 2019-02-02.
  23. ^ "Advanced Technology Demonstrator". NOAA National Severe Storms Laboratory. Retrieved 2019-02-02.
  24. ^ https://ams.confex.com/ams/2019Annual/webprogram/Paper353456.html