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밀리미터파 레이더의 초능력: 작은 물방울과 폭우의 비밀을 어떻게 포착할까?
밀리미터파 레이더는 클라우드 레이더라고도 불리며, 구름을 모니터링하기 위해 특별히 설계되었으며 24~110GHz의 주파수 범위에서 작동합니다. 이러한 특수 주파수로 인해 밀리미터파 레이더의 파장은 약 1mm~1.11cm로, NEXRAD 등 기존 S대역 레이더보다 약 10배 짧습니다. 이 기술의 핵심 목적은 구름의 본질과 구름이 어떻게 진화하는지 연구하는 것입니다.
이러한 레이더 시스템은 일반적으로 35GHz의 Ka 대역과 94GHz의 W 대역에서 작동하며, 이는 대기 전송에서 가장 높은 효율을 보입니다.
밀리미터파 레이더는 시간 및 거리 분해능이 매우 높습니다. 시간 분해능은 보통 1~10초 범위 내에서 조절 가능하며, 거리 분해능은 레이더의 설계 및 목적에 따라 달라집니다. 일반적으로 클라우드 레이더의 최대 감지 범위는 14~20km에 달하고, 도플러 속도 분해능은 초당 수 센티미터입니다.
클라우드 레이더는 대부분 편광 시스템이므로 선형 편광 해제 비율(LDR)을 통해 입자의 불규칙성을 측정할 수 있습니다. 레이더는 일반적으로 천정을 똑바로 향하지만, 기술이 발전함에 따라 많은 레이더에 스캐닝 장치가 추가되어 레이더가 더 빠른 속도에서 다른 각도로 스캔할 수 있게 되었으며, 이를 통해 수직 풍향 및 풍량 정보 등의 추가 정보를 얻을 수 있습니다.
장파장 레이더는 작은 빗방울과 강우에 대한 감쇠가 적은 반면, 단파장 레이더는 더 작은 입자에 더 민감합니다. 즉, 다양한 기상 조건에서 적절한 레이더를 선택하는 것이 특히 중요합니다.
현재 밀리미터파 레이더는 구름 경계(예: 구름 바닥 및 구름 꼭대기)를 감지하고 구름 미세 물리적 특성(예: 입자 크기 및 질량 함량)을 추정하는 등 여러 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 데이터는 구름이 어떻게 대기를 통과하는 복사 에너지를 반사, 흡수, 변환합니다. 레이더는 안개 연구에도 널리 사용되고 있으며, 특히 맑고 따뜻한 날씨에 곤충만을 대상으로 하는 표적을 감지하는 데 40년 이상 곤충학 연구에 사용되어 왔습니다. 최근, 밀리미터파 레이더를 사용하여 거대 에어로졸을 연구할 수 있다는 사실이 발견되었습니다.
클라우드 레이더의 작동 환경은 지상에 국한되지 않으며, 공중이나 우주에서도 가능합니다. 공중 시스템의 예로는 HALO(고고도 장거리 연구 항공기)에 장착된 레이더와 와이오밍의 KingAir 연구 항공기가 있습니다. 우주의 클라우드 프로파일링 레이더는 2006년부터 CloudSAT 위성에서 작동해 왔습니다. 2023년 3월에 발사 예정인 지구 구름, 에어로졸 및 방사선 탐사선(EarthCARE) 임무는 도플러 기능을 갖춘 최초의 우주 기반 구름 프로파일링 레이더를 운반할 예정입니다.
레이더를 이용한 측정: IQ부터 스펙트럼까지
펄스 레이더 시스템은 전자파를 대기로 송신하고 반사되는 신호를 수신하기 때문에 능동 측정 장비로 간주됩니다. 레이더는 다양한 하드웨어 구성요소로 구성되어 있으며, 각 구성요소는 서로 다른 요소를 포함합니다. 송신기 장치의 발진기에서 생성된 전자파는 도파관을 통해 안테나로 전달되고, 안테나는 이를 대기 중으로 방사합니다.
전송된 각 펄스가 수증기를 함유한 공기의 양에 의해 산란된 후, 반사되는 신호는 레이더 안테나에 의해 수집되어 필터링, 증강 및 하향 변환을 거친 후 디지털화됩니다.
각 반사 신호의 전송은 시간에 따라 바뀌지만, 신호에 반사되는 전기장은 다량의 수증기가 혼합되어 얻어집니다. 따라서 수신된 신호는 수많은 수증기 입자에서 나오는 에코로 구성되며, 이러한 에코를 개별적으로 분석할 수 없습니다. 따라서 신호를 샘플링하면 특정 시간 지연에서 파동의 거리를 결정하고 이를 통해 에코의 다양성에 초점을 맞출 수 있습니다.
또한, 레이더의 도플러 처리를 수행할 때, 반사신호로부터 얻은 스펙트럼은 I/Q 신호를 계산하여 자동 생성되므로 에코의 도플러 주파수를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 과학자들은 샘플 용량 내에서 다양한 입자의 속도 범위를 평가할 수 있습니다.
도플러 분광법의 특성
레이더의 샘플 볼륨에는 일반적으로 여러 개의 산란 대상이 있습니다. 각 대상에는 고유한 주파수 편이가 있는데, 이를 통해 반사되는 전력을 측정하여 도플러 스펙트럼을 분석할 수 있습니다. 반사율은 스펙트럼에서 계산할 수 있습니다. 스펙트럼을 통합하면 관련 기상 데이터를 얻고 날씨 변화를 추론할 수 있습니다.
스펙트럼의 첫 번째 모멘트는 평균 도플러 속도를 나타내며, 이는 전체 샘플 볼륨의 반경 방향을 반영하는 반면, 두 번째 모멘트는 도플러 폭을 나타내며, 탐지된 속도 범위의 변동 정도를 제공합니다.
많은 매개변수 중에서 우리는 무엇에 주의해야 할까요?
도플러 폭, 왜도, 정점성은 모두 도플러 스펙트럼을 설명하는 주요 매개변수입니다. 이러한 매개변수를 연구하면 구름 구조의 미시적 물리적, 동적 변화를 파악하는 데 도움이 되며, 이는 날씨 변화를 예측하는 데 중요합니다. 또한, 레이더의 편파 측정은 강수 작용 방식과 기후 변화의 영향에 대한 더 깊은 통찰력을 제공합니다.
기술의 발전으로 밀리미터파 레이더의 적용 범위는 점점 더 광범위해지고 있지만, 이 끝없는 탐구 속에서 우리는 이 기술의 물리적 원리를 완벽하게 파악하고 이해할 수 있을까요?
