레이더는 원리적으로는 짧고 강한 펄스 전파빔을 목표 지역으로 발사하고 그 반사파가 레이더 안테나로 돌아오는 시간을 측정해 2차원 영상을 구성하는 장치다. 그러나 이 레이더의 해상력을 높이기 위해서는 전파빔이 가늘고 예리하며 목표지역의 좁은 부분에서 나오는 반사파만 골라 수신할 수 있어야 하고(방위해상도) 내는 전파펄스 자체가 시간적으로 짧기 때문에 반사파도 짧은 펄스로 돌아가야 한다(거리해상도). 또한 전자파의 분산이나 굴절을 최소화하기 위해서는 가급적 높은 주파수, 즉 짧은 파장의 전파를 사용해야 한다.
▲합성개구레이더(SAR)는 구름 낀 날씨에도 지상을 내려다볼 수 있다.
방위 해상도를 높이기 위해서는 날카로운 방향성을 가진 오목 거울처럼 생긴 포물면 안테나(parabolic antenna)을 쓰는데 이 안테나의 지름이 전파의 파장에 비해서 클수록 전파의 회절이 적고 날카로운 빔을 한 지점에 접속하고 보냈고, 또 받을 수 있다. 이는 천체 망원경으로 토성과 목성 같은 천체를 자세히 찍기 위해서는 지름이 큰 렌즈와 반사경을 가진 천체 망원경을 사용해야 하는 것과 같은 원리이다. 안테나의 지름을 늘리지 말고 그냥률만 높이와 빛의 회절 때문에 상이 망해서 구분할 수 없게 된다. 안테나의 지름을 전파의 파장으로 나눈 값을 안테나 개구비(Aperture Ratio, AR)라고 하는데 이 안테나 개구비가 클수록 빔이 날카로워져안테나 이득(gain)도 높아진다. 그러나 항공기에 탑재해야 할 안테나는 크기와 무게에 제한이 있고, 또 큰 안테나를 빠르게 회전시키기도 어렵다. 전파의 파장을 짧게 만드는 것에도 기술적 한계 및 감쇠가 거세지등 실용적인 문제가 있으므로 기존 레이더로는 그 해상도에 제한이 있을 수밖에 없다.
▲합성 개구 레이더로 이미지를 획득하는 원리.
그래서 안테나의 지름을 크게 하지 않아도 높은 방위 해상도를 얻을 수 있도록 개발한 것이 합성 개구 레이더이다. 합성 개구 레이더에서 사용하는 전파 빔은 비교적 펄스 폭 넓은 안테나 지름도 작고 빔의 각도 범위도 넓은 편이다. 대신 레이더를 비행기와 인공 위성에 실어 재빨리 이동하면서 레이더 반사파를 연속적으로 수신한다. 이렇게 하면 전파가 반사되어 돌아오는 사이에 이동한 거리만, 마치 레이더 안테나의 지름이 길어지는 효과가 나타나므로 더 날카로운 반사파를 수신할 수 있게 된다. 그러므로 공중에서 넓은 범위의 지상의 고해상도의 영상을 획득하기에 매우 효과적이다.고속으로 이동하면서 위상이 일치한다(coherent)전파 빔을 방사하면 전파 빔을 방사한 안테나의 위치와 반사되고 돌아온 반사파를 수신하는 안테나의 위치에 상당한 차이가 있으며 이 위치 차이가 수신된 전파의 도플러 시프트(Doppler Shift)으로 나타난다. 이 도플러 편이 상대적 편이 특성을 이용하고 대상물과 레이더 안테나 사이의 거리 차에 대한 위상 보정 방식을 사용하거나 수신 지점은 다르지만 위상이 같은 신호를 가하고 합성된 안테나 신호를 획득한다. 즉, 레이더가 이동한다는 것을 이용하여 개구 면이 작은 안테나로 수신된 연속적인 복수의 레이더 신호를 합성하여 개구 면이 큰 안테나 개구를 수학적 방법으로 합성한다는 것이다. 그래서 합성 개구 레이더(합성 개구-, synthetic-aperture radar, SAR)라는 이름이 붙여진 것이다. 실제로는 빠르게 이동하면서 수신된 여러가지 신호를 정지한 레이더의 영상처럼 선명하게 보이도록 하기 위해서는 복잡한 신호 처리가 필요하다.
