CHAPTER 14. IR FUNDAMENTALS - (1)

여기서는 IR의 기본 이론과 IR 미사일 탐지, IR seeker, 그리고 IR Flare 제거 기술등에 대해 알아본다.

3부로 나누어 1부에서는 IR의 기본 이론에 대해 2부에서는 IR seeker, 그리고 3부에서는 IR Flare 제거 기술에 대한 내용을 정리하겠다. 

 

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일반

1950년대 처음 도입된 적외선(IR) 추적 미사일은 이후 현재까지도 지상과 공중 시스템의 위협이 되고 있다. IR 미사일의 사정거리, 신뢰성, 그리고 효과도는 탐지기와 컴퓨터 기술의 발전에 따라 계속해서 진보하고 있다. IR 미사일은 수동형이기 때문에 상대적으로 단순하고 저렴하다. 이러한 특징은 전장에서 IR 미사일의 확산에 기여했다. 오늘날 공대공과 공대지 임무를 맡는 항공기는 모두 IR 미사일을 탑재한다. 게다가 소대 수준의 보병은 어깨 견착식 IR 미사일을 가지고 있다.  

(어깨 견착식 IR 위협)

 

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IR 기본 이론

주파수 스펙트럼상에서 IR의 위치로 인해 IR 방사는 마이크로파와 가시광선 대역의 몇몇 한계와 특징들을 보여준다.

 

[IR 주파수 밴드와 파장 길이]

모든 따뜻한 물체는 IR 에너지를 방출한다.

물체의 온도는 이 방출의 특징을 말해준다.

물체의 온도가 증가할수록 방출 강도는 증가하고 파장이 점점 짧은 대역으로 이동하거나 더 높은 주파수 대역으로 이동한다.

IR의 주파수 대역은 마이크로파의 상위 끝과 가시 광선 대역의 아래 끝 사이에 위치한다.

 

IR 방출을 놓고 얘기할 때에는 주파수 보다는 파장으로 얘기하는 것이 더 편리하다.

가장 높은 주파수 대역의 IR 파장은 0.72 x 10^-6 미터이다.

측정 단위는 마이크론(µ, micron)으로 불리며 1미터의 백만분의 일이며 IR 파장을 말할 때 사용된다.

IR 에너지는 전자기 스펙트럼 상에서 1,000 마이크론과 0.72 마이크론 사이에 있으며 가시광선의 파장의 경우는 0.72 마이크론과 0.39 마이크론 사이가 된다. 

(IR 주파수 밴드표)

 

[대기에서의 IR 특성]

IR 에너지가 대기를 통과하여 이동할 때에 특정 파장은 흡수되거나 감쇄가 일어난다.

대기에서 IR에 가장 큰 감쇄를 가져오는 것은 수증기이며 날씨 조건에 따라 변화하고 30,000피트 이상의 고도에서는 흡수는 무시할 수준이 된다.

또 다른 중요 감쇄 인자는 이산화탄소이다.

대기 중에서 이산화탄소의 비율은 고도 30마일까지는 실질적으로 일정하다.

이러한 이산화탄소의 흡수는 IR 영역에서만 일어나며 예측이 가능하다.

산란(scattering)은 대기 중에서 감쇄의 또 다른 형태이며 이는 먼지와 물방울에 의해 발생한다.

산란은 또한 기상 조건에 따라 크게 변화하며 예측이 불가하다.

다른 대기 구성요소들은 IR 에너지에 아주 조금 아니면 무시할 정도의 감쇄만 일으킨다.

1마이크론에서 5마이크론 사이는 IR 전송의 비교적 큰 창과 같다.

이 지역은 항공기 엔진의 열적 시그니쳐가 최대 강도를 갖으며 따라서 대부분의 IR 미사일이 동작하도록 설계되는 구간이 된다. 

(대기 중 IR의 전송율)

 

[IR 에너지의 특성]

IR 에너지는 RF 에너지와 가시 광선 모두의 전송 특성 중 일부 나타낸다.

가시 광선은 렌즈와 거울을 통해 광학적으로 집중될 수 있다.

이러한 특징은 다음 그림과 같이 IR 미사일의 탐지기 구성에 사용된다. 

(IR 미사일 탐지기(detector))

RF 에너지와 같이, IR 방사는 송신과 수신 간 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다.

 

[군용 항공기의 IR 강도 특성]

만약 군용 항공기의 IR 시그니쳐를 파장대로 그려보면 약 3마이크론에서 최대가 된다.

애프터버너(afterburner)를 사용하는 경우 항공기의 IR 강도는 약 1.5마이크론이 된다.

IR 미사일은 항공기의 IR 시그니쳐를 탐지하고 추적하도록 설계되기 때문에 대부분의 IR 미사일은 1~5마이크론 대역에서 동작한다.

Flare가 효과적이기 위해서는 Flare의 IR 강도는 이 영역에 있어야 한다.

 

(군용 항공기의 파장대별 IR 강도)

 

 

[측면 각도에 따른 IR 시그니쳐 특징]

항공기의 상대적인 IR 시그니쳐는 측면 각도(aspect angle)와 속도, 고도 그리고 애프터버너 상태에 따라 달라진다.

IR 강도가 상대적으로 최소가 되는 부위는 항공기 전방 nose이며 최대가 되는 부위는 꼬리가 된다.

속도가 증가함에 따라 마찰열과 엔진의 온도가 상승하여 IR 강도가 증가한다.

고도가 높아지면 전체적인 각도에서 IR 시그니쳐가 증가하는데 이는 대기상의 감쇄가 적어지기 때문이다. 

 

(IR Signature Versus Aspect Angle)

 

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IR 시그니쳐 소스

IR 유도는 0 켈빈 온도 이상의 모든 물체는 IR을 방출한다는 사실을 기반으로 한다.

물체의 온도는 이 방출의 특징을 나타낸다.

물체의 온도가 증가하면 방출 강도도 증가하며 주파수는 더 높은 대역으로 이동하고 따라서 파장은 더 짧은 영역으로 이동한다.

다음의 그림은 F-16 항공기의 각 부위에서 서로 다른 파장이 나온다는 것으로 보여준다.

그림에서의 방사율은 표면을 직접 볼 때 방출되는 IR의 상대적인 측정치이다.

(F-16 항공기의 IR 시그니쳐 소스)

 

항공기 IR 시그니쳐의 주 소스는 화염과 엔진의 뜨거운 부위, 그리고 표면이다.

항공기 표면은 넓지만 보통은 차갑다.

따라서 항공기 표면을 탐지하기에 가장 우수한 영역은 IR의 장파장 대역인 8~12 마이크론다.

 

엔진의 뜨거운 부위는 직각이 되는 각도에서 바라볼 때 아주 우수하게 탐지할 수 있다.

이 부위는 높은 온도와 높은 방사율을 갖는다.

그러나 바라보는 각도에 의존하며 낮은 인지 영역을 갖게 될 수도 있다.

 

화염(plume)은 높은 온도와 높은 인지 영역을 갖는다.

이 넓은 인지 영역은 거의 모든 각도에서 탐지가 가능하게 한다.

그러나 4.2 마이크론을 제외하고는 상대적으로 낮은 방사율을 갖는다.

이는 신형 전방향 미사일의 전략이 되며 미사일은 IR의 중 파장 대역인 4.2마이크론에서 화염을 탐지한다.

 

다음의 표는 공통적인 IR 탐지기 재료를 보여준다.

주목할 것은 냉각된 탐지기는 장거리 파장 (낮은 에너지) 포톤에 민감하다는 점이다. 

(IR 디텍터 재료)

 

 

1부에서는 IR 이론에 대해 알아봤다.

2부에서는 이러한 IR을 이용한 미사일 시커(seeker)에 대한 이론과 응용에 대해 알아보겠다.

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출처 : Electronic Warfare Foundamentals