적외선 위협과 Countermeasures - (1)

앞으로 EW104에서 다루고 있는 IR 기술에 대해 공부해 본다.

적외선을 이용한 IR 무기와 센서, 그리고 대응책 기술들은 지난 수년간 많은 발전을 이루어왔으며

그 기술들의 원리에 대해 공부한다.

 

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전자기 스펙트럼 (Electromagnetic Spectrum)

전자전의 목적은 전자기 스펙트럼을 이용하여 우군의 장점은 보존하면서 적의 전자기 스펙트럼 활용을 

방해하는 것이다.

이는 전체 전자기 스펙트럼의 범위가 dc 수준 바로 위부터 빛의 바로 위까지임을 의미한다. 

많은 서적에서 EW를 무선 주파수(RF, Radio Frequency) 영역만을 다루지만 여기서는 그 이상을 살펴본다.

다음의 그림은 전자기 스펙트럼을 확장한 그림으로써 광학과 적외선 범위도 보여주고 있다.

(전자기 스펙트럼 범위)

 

수평 스케일은 주파수와 파장을 나타내고 있으며 이 둘에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

 

𝜆 x F = C

여기서, 𝜆는 m로 표시되는 파장(wavelength)이고 F는 hz로 표시되는 주파수이며 C는 빛의 속도로 3x10⁸m/s 이다.

스펙트럼의 RF 부분은 일반적으로 편의상 주파수를 사용한다.

그러나 광학과 적외선 영역을 주파수로 표현하면 너무 커지기 때문에 불편하다.

그래서 이 영역은 보통 파장으로 얘기하며 단위는 micrometers(㎛)이며 µ는 microns라 불리기도 한다.

 

전자전에서 IR 스펙트럼은 다음과 같이 세 가지로 분류한다.

 - 근적외선(near IR) : 0.78 ~ 3 ㎛

 - 중적외선(mid IR) : 3 ~ 50 ㎛

 - 원적외선(far IR) : 50 ~ 1,000 ㎛

 

일반적으로 근적외선 신호는 높은 온도와 관련이 있고 중적외선 신호는 낮은 온도와 관련이 있다.

그리고 원적외선은 인간이 살 수 있는 훨씬 더 낮은 온도와 관련이 있다. 

여기에 대해서는 나중에 다룰 black-body 이론 부분에서 더 알아보겠다.

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IR Propagation

[ Propagation Loss ]

다음의 그림을 보면 송출원이 단위 구의 중심이다.

송신에 의한 면적은 구의 표면에 투영된다.

(IR 전파 감쇄는 단위 구에 표현되는 수신 영역과 전송 영역의 비율의 함수이다)

 

수신에 의한 면적은 동일한 단위 구 뒤쪽에 투영된다.

단위 구 상에서의 송신 영역대 수신 영역의 비율이 전파 손실(propagation loss) 인자가 된다.

거리가 멀수록 수신 면적이 작아지고 전파 손실이 커지는 것이다.  

 

[ Atmospheric Atenuation ]

아래의 그림은 IR 신호가 대기를 통과하면서의 투과율(감쇄율과 반대)을 파장에 대해 표현한 것이다.

(IR 신호의 대기 전송율)

 

위의 그림을 보면 어떤 파장대에서는 몇몇의 대기 가스에 의해 손실이 매우 높은(즉, 낮은 투과율) 것을 알 수 있다. 

이 그림에서 중요한 것은 IR 신호가 전파될 수 있는 전파 윈도우(즉, 높은 투과율을 갖는)들이 있다는 것이다. 통신이나 탐지, 추적, 또는 영상을 위한 IR 송수신 시스템들은 이러한 윈도우 내에서 동작해야 한다.

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흑체 이론 (Black-Body Theory)

흑체(Black-Body)는 어떠한 에너지도 반사하지 않는 물체를 말한다.

실험실 환경에서 흑체는 특정 크기와 특징을 갖는 순수한 카본(carbon) 블록으로 근사화된다.  

흑체는 잘 정의된 송출 에너지대 파장의 프로파일과 함께 완벽한 흡수체이면서 동시에 완벽한 에미터이다.

다음의 그림은 흑체가 특정 온도로 가열되었을 때에 파장 대 흑체 방사를 보여준다.

(고온에서 파장과 함께 흑체 방사가 변화한다)

 

온도는 Kelvin으로 표시되고 각 곡선은 어떤 물체의 한 온도에서 파장대 방사를 나타낸다.

이 곡선들의 최고점은 물체의 온도가 증가할수록 왼쪽으로 옮겨가는 것을 볼 수 있으며 온도가 높으면 어느 파장대에서든 에너지 양이 증가하는 것을 알 수 있다. 

또 한 가지 흥미로운 점은 태양은 흑체이며 표면 온도가 5,900K로서 방사의 최고점은 광학 파장 영역에 있다는 것이다.

 

다음의 그림은 낮은 온도에서의 동일한 그림을 보여준다. 

(낮은 온도에서의 흑체 방사 곡선)

 

이 두 그림에서의 요점은 수신된 IR 신호의 파장 대 전력의 분석과 측정은 신호가 송신된 물체의 온도를 결정할 수 있다는 것이다.

이는 IR 유도 무기를 대응하고자 할 때에 매우 중요한 부분이 된다.

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적외선 유도 미사일 (Infrared Guided Missile)

IR 유도 미사일은 항공기에 매우 위험한 위협이 되는데 그 이유는 항공기가 만드는 열이 차가운 하늘에서 매우 쉽게 구분될 수 있기 때문이다.

이러한 위협에는 공대공 또는 지대공 미사일과 MANPADS(Man Portable Air Defnse Systems)를 포함한다.

공개된 자료에 의하면 90%의 항공기가 이 IR 미사일에 의해 격추된다고 나왔다.

 

IR 미사일은 표적으로부터 나오는 IR 에너지를 수동적으로 추적한다.

앞에서 알아본 바와 같이 물체가 발산하는 에너지의 파장은 물체의 온도에 의존한다.

뜨거운 물체일수록 IR을 발산하는 최고점의 파장은 짧아진다.

따라서 IR 미사일의 센서는 표적의 온도에서 최고점 IR 발산 파장대에 최대의 응답을 갖는 센서를 선택한다.

초기의 IR 미사일은 매우 뜨거운 표적을 요구하며 근적외선 영역에서 동작하였다.

이들의 센서는 엔진 내부의 뜨거운 부분을 찾기 때문에 미사일은 전투기의 뒤쪽 부분부터 공격을 해야 하는 제한이 있었다.

이후의 IR 미사일 센서는 엔진의 화염이나 공력 가열이 되는 항공기 주익의 leading edge등과 같은 비교적 차가운 부분에 대해 동작하도록 되어 있어 이들은 항공기의 어느 각도에서도 공격이 가능하게 되었다. 

 

[ 열추적 적외선 미사일 구성 ]

다음의 그림은 열추적 미사일의 다이어그램을 나타낸다. 

(열추적 미사일 기본 다이어그램)

 

전방부에는 IR 파장을 통과시키는 렌즈가 있다.

렌즈 뒤쪽으로는 유도와 제어 회로가 표적의 방향을 결정할 수 있게 해주는 IR 시커(seeker)가 있다.

유도와 제어 그룹은 롤러론(rollerons)과 같은 조종면을 제어하고 미사일의 비행 방향을 제어한다.

그리고 점화장치와 탄두가 있다.

미사일은 표적을 향해 날아가기 때문에 고체 상태의 로켓 모터와 수평 꼬리 날개가 있다.

 

[ IR Seeker ]

(IR 시커는 수신된 IR 에너지를 recticle을 통해 센싱 셀에 집중한다)

 

미사일의 시커는 IR 렌즈를 통해 표적으로부터의 IR 에너지를 수신하며 다중의 모양으로 된 거울을 이용하여 IR 센싱 셀(IR Sensing Cell)에 집중된다.

IR 신호는 reticle을 통해 걸러지고 통과되면서 IR 센싱 셀로 전달되고 수신된 IR 신호의 세기에 비례하는 전류가 생성된다. 

여기서 주목할 점은 시커는 광학축을 기준하고 있으며 이 광학축은 미사일의 추력축으로부터 어느 정도 옵셋되어 있다는 것이다.

다음의 그림과 같이 미사일은 비례 유도(proportional guidance)를 사용하며 따라서 표적에 완만한 각도를 가지고 접근한다.

만약 미사일이 표적을 직접 향한다면 미사일은 격추 직전에 "high-g"를 가져야만 할 것이다.

(IR 미사일은 high-g 기동을 피하기 위해서 비례 유도를 사용한다)

 

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[ Reticles ]

Reticles은 다른 특성을 갖는 여러 가지의 종류가 있다. 

다음의 그림과 같은 "rising sun" recticle은 초기의 IR 미사일에 사용되었다.

(회전하는 "rising sun" recticle 모습)

 

이 recticle은 표면의 50% 투과율을 갖으며 반쪽은 투명한 부분과 불투명한 부분이 번갈아 있는 형태이다.

이것은 표적으로부터 수신한 IR 에너지를 시간 대 에너지의 형태로 만들어 센싱 셀로 보내준다.

 

(센싱 셀에 들어온 IR 에너지는 50%의 듀티를 갖는 구형파를 만든다)

 

표적을 향한 시커로부터의 벡터가 recticle의 교번 하는 부분에 들어가면 곧바로 패턴의 구형파 부분이 시작된다.

시간 대 에너지의 패턴은 센싱 셀에서 이와 동일한 패턴의 유도와 제어 그룹으로 가는 전류를 만든다.

표적에 대한 방향이 바뀜에 따라 파형의 구형파 부분이 시간축에서 이동하게 된다.

그래서 유도와 제어 그룹은 적절한 조절 명령을 생성하여 시커의 광학축을 표적의 중심에 맞추도록 한다. 

IR 표적 방향이 recticle의 중앙으로 접근함에 따라 좁아진 투명 wedges(즉, 표적의 일부분이 불투명 wedges에 의해 가려진다)에 의해 에너지가 줄어들게 된다.

따라서 아래의 그림과 같이 방향 오차 각도와 함께 에러 신호는 변화하게 된다. 

(표적과 시커의 광학축 간의 각도에 따라 센셍 셀로 들어오는 신호의 크기가 변화한다 )

 

여기서 한 가지 문제가 발생하는 그것은 reticle의 바깥쪽 외각에서 들어오는 신호의 에너지가 reticle의 중심에 있는 표적에서 오는 신호의 에너지보다 커진다는 것이다.

그렇기 때문에 미사일이 reticle의 중심 근처에서 표적을 추적하고 있을 때에 reticle의 바깥쪽에 있는 flare가 더욱 큰 신호를 만들어내게 되고 이는 미사일이 쉽게 flare 쪽으로 유인될 수 있게 만든다. 

두 번째 문제는 궁극적인 목표점이 센서 셀의 최소로 수신되는 신호라는 것이다.   

 

[ IR Sensors ]

초기의 센서들은 황화납(Lead sulfide, Pbs)으로 만들어졌으며 2에서 2.5 ㎛ 대역(거의 근 적외선 영역)에서 동작한다.

황화납 센서는 쿨링 없이 동작하며 미사일 구조를 단순하게 만들어준다. 

나중의 미사일들은 황화납 센서를 77K까지 낮춰서 더 우수한 감도와 낮은 온도의 표적을 추적하게 되었다.

그러나 이러한 센서들은 여전히 표적의 뒤쪽 방향에서 공격하는 것이 필요했다.

77K까지 온도를 낮추기 위해서는 가스를 확대해서 사용했다.

 

이후 모든 방향에서 공격이 가능한 미사일들은 3에서 4 ㎛ 대역(중적외선 영역)에서 동작하는 셀렌화납(lead selenide, PbSe)과 10 ㎛ 대역(원적외선 영역)에서 동작하는 Mercury Cadmium telluride(HgCdTe)를 포함한 몇몇 다른 화학물질로 만들어진 센서들을 사용하였다.

이러한 센서들은 반드시 77K 정도까지 온도가 낮춰져야 한다.

이러한 대역에서 동작하는 각각은 투과율 윈도우로 모이며 그래서 표적으로부터의 IR 에너지가 미사일의 IR 센서에 의해 효과적으로 수신될 수 있다.

 

 

다음 2부에서는 IR 열추적 미사일에서 사용되는 다른 종류의 recticle 들의 모양과 원리에 대해 알아본다.

 

 

출처 : EW104

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