2부에서는 IR Seeker의 특성과 reticle의 원리 그리고 다양한 종류의 IR Seeker 특징에 대해 알아보겠다.
IR SEEKER 특성
유도 장치는 항공기의 IR 방사원을 탐지하고 그곳을 향하도록 설계된다.
Seeker는 전방을 탐지하고 예측되는 표적의 위치를 출력한다.
다음의 그림은 일반적인 IR 미사일 seeker의 하드웨어의 처리 절차를 나타낸다.
[IR 미사일 처리]
IR 돔(dome)은 IR을 투과하는 보호 커버이다.
대부분의 IR 미사일은 반구형 돔을 적용하는데 그 이유는 들어오는 빛 광선의 방향을 틀어지게 만들지 않기 때문이다.
광학 장치는 탐지기에 붙어있는 reticle을 통해 초점을 맞춘다.
이러한 reticle의 패턴은 표적의 위치를 “code”화 해준다.
미사일의 내부 처리는 레이다의 추적 시스템과 유사하다고 할 수 있다.
내부에는 AGC(Automatic Gain Control)가 있어서 탐지기(detector) 출력을 너무 크지 않고 또한 너무 작지 않도록 조절한다.
복조(Demodulation) 회로는 탐지기의 신호를 “decode”화 한다.
문턱치(Threshold) 회로는 원하는 문턱치 수준 아래의 신호를 제거하며 이는 레이다 시스템에서 클러터 제거 기능과 유사하다.
마지막으로 위상 분석기(Phase Analyzer)는 신호로부터 표적의 위치를 읽어오며 그 결과를 자동비행장치(autopilot)로 보내는 역할을 한다.
이후 자동비행장치는 표적 추적을 위해 미사일의 경로를 조정한다.
IR 시스템은 태양이나 태양빛에 비친 구름, 연기, 지구, 그리고 다른 백그라운드 방사원과 같은 원치 않는 IR 방사원을 제거하기 위한 탐지기와 필터를 적용한다.
탐지 장치는 유도 시스템과 연결되어 표적이 화면의 중심에 위치할 수 있도록 미사일 날개 제어 명령을 만들어낸다.
IR 미사일의 특징을 정의하는 것은 FOV(Field Of View)와 FOR(Field Of Regard)이다.
영상의 크기를 각도로 표현한 것인 FOV 이다.
표적으로부터 가장 큰 확률로 IR 방사를 수집하기 위해서 수신기는 가능한 큰 FOV를 가져야 한다.
그러나 이는 다음의 문제를 만들어낸다.
큰 FOV는 다른 IR 방사원으로부터 표적을 구분하지 못할 확률이 증가시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 작은 FOV를 통해 넓은 영역을 스캔하는 것이 필요하다.
이 넓은 영역을 FOR이라 한다.
짐발(gimbal)이 FOV를 스캔하도록 만들며 전체 FOR이 탐지가 가능하다.
IR SEEKER 종류
해가 거듭할수록 seeker 기술은 발전하여 IR 미사일이 표적과 교전하는 전술에도 큰 변화가 있었다.
여기서는 spinning reticle과 conical scan, cooled, 그리고 imaging IR seeker에 대해 알아본다.
[Spinning Reticle]
SA-7과 같은 1세대 IR 미사일은 spinning reticle을 사용하여 표적을 추적하였다.
비교적 저렴하고 사용이 쉽기 때문에 이 1세대의 IR 미사일은 아직도 사용되고 있다.
Spinning reticle은 seeker 내에서 IR 방사가 탐지기에 전달되기 이전 부위에 적용된다.
Reticle은 광학 재질로 된 얇은 판형태이며 투명과 불투명 패턴을 갖고 있다.
Reticle이 회전함에 따라 IR 에너지는 reticle 패턴에 의해 결정된 속도로 잘게 잘리게 된다.
이는 표적이 정확히 FOV의 중심에 있지 않을 때에 에러 신호를 만들어낸다.
다음의 그림은 reticle 패턴이 만들어내는 방위와 고도 정보를 보여준다.
만약 표적이 이 패턴의 중심보다 위쪽에 위치한다면, 탐지기에서 IR의 세기는 reticle이 회전하면서 일정한 값이 된다.
파이 형태의 패턴에 표적이 위치하면, reticle은 회전함에 따라 IR 에너지는 펄스의 형태가 되고 펄스의 크기는 표적의 상대적인 고각을 나타내게 된다.
표적이 왼쪽이나 오른쪽으로 이동하면 펄스 신호의 시작과 끝 시간이 서로 달라지게 되며 이는 표적의 방위 방향을 나타낸다.
Center null reticle이라 불리는 spin-scan seeker는 표적이 seeker의 중심에 있을 때 상대적으로 둔감하다.
표적이 reticle의 중심에서 떨어져 있을 때 seeker는 에러 신호를 생성하며 이를 통해 표적을 다시 중심에 놓기 위한 유도 명령이 시작된다.
이는 초기 버전의 IR 미사일이 표적을 향해 날아갈 때 위로 올라갔다가 내려갔다 하는 기동을 하는 이유이기도 하다.
[Conical Scan Seeker]
IR conical scan seeker는 spin-scan seeker의 몇 가지 문제를 해결하기 위해 개발되었다.
즉, 표적이 seeker FOV의 중심 부위에 있을 때의 부족한 성능을 보완하기 위함이다.
일반적인 conical scan seeker에서 reticle은 고정되어 회전하지 않는다.
대신에 이차적인 미러(mirror)가 기울어져서 회전한다.
이를 통해 표적 이미지는 reticle의 바깥 부위에서 원형으로 스캔된다.
만약 표적이 seeker의 중심부위에 있다면 탐지기는 spin-seeker와 유사한 펄스 형태의 신호를 생성한다.
그러나 표적이 중심에서 떨어지면 탐지기의 출력 신호는 주파수가 변조된 사인파가 된다.
변조되는 주파수는 표적이 seeker 스캔의 중심에서 떨어진 거리만큼 정확하게 비례 관계를 갖는다.
Conical scan 광학장치는 보통 reticle의 외곽에 매우 가까운 위치에서 표적을 회전하도록 설계된다.
이를 통해 많은 양의 주파수 변조를 만들어내어 conical scan IR 미사일이 더욱 민감하고 정확한 추적 루프를 제공한다.
Reticle의 중심은 오직 획득을 위해서만 사용된다.
[Cooled Seeker]
IR seeker의 중요한 발전은 argon과 같은 가스를 주입하여 탐지기를 냉각함으로써 가능했다.
과거 냉각되지 않는 황화납(lead-sulfide) 탐지기를 사용한 IR 미사일들은 2마이크론 영역에서 최대 민감도를 갖는다.
이는 SA-7과 같은 미사일들이 후방 공격 밖에 못하도록 제한을 갖게 하는데 그 이유는 이러한 미사일들은 배경의 IR 에너지와 엔진 터빈의 IR 에너지 밖에 구분할 수 없기 때문이다.
Argon과 같은 가스를 통해 탐지기를 냉각시키는 새로운 IR 미사일들은 항공기의 동체 부위에서 발산하는 IR 에너지와 같은 좀 더 긴 파장의 IR 신호를 추적할 수 있다.
Indium antimonide(InSb)와 같은 새로운 탐지기 재료를 사용하면 확장된 탐지 거리와 전방향에서의 추적 기능을 위해 탐지기 냉각이 반드시 필요하다.
[Imaging IR Seeker]
Imaging IR은 가장 최신의 IR seeker 기술이다.
이 기술은 AGM-65 Maverick 미사일에서의 기술과 유사하다.
Imaging IR seeker는 과거의 seeker에 비해 flare와 같은 디코이에 강하며 펄스 형태의 light 재밍에 대항할 수 있다.
Imaging 탐지는 scanning과 staring의 두 가지 방법으로 IR 사진을 획득한다.
Scanning 시스템은 한 개의 탐지기(또는 탐지기와 미러가 합쳐진 형태)를 이용하며 전 화면이 scan 될 때까지 한 장면을 움직인다.
이는 제조가 쉬운 장점이 있으나 탐지기가 한 위치에 오래 머물 수 없고 신호를 측정하는데 많은 시간이 없기 때문에 잡음이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
Staring 시스템은 많은 탐지기를 사용하며 각 탐지기는 각각 작은 영역을 탐지한다.
전 프레임 시간 동안 각 탐지기는 각각의 부위의 장면에 머무를 수 있다.
그러나 초점 평면 배열(focal plane array)이라 불리는 이러한 시스템은 각각의 탐지기가 동일한 민감도를 같도록 제조하는데 어려움이 있다.
이러한 imaging IR seeker의 가장 큰 장점은 특정 IR 형태나 장면을 추적할 수 있도록 프로그래밍이 가능하다는 것이며 flare의 효과를 크게 줄일 수 있다.
2부에서는 IR seeker의 reticle 원리와 여러 종류의 IR seeker에 대해서 알아봤다.
마지막 3부에서는 IR 미사일의 Flare 제거 원리에 대해 알아보겠다.
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