스텔스기와 탐지 기술의 발전

레이더에 사용되는 전자파

 

여러분들은 스텔스기에 대해서 아시나요?

스텔스기란 스텔스 기능을 이용해 비밀리에 적지에 침투, 정찰하거나, 공중전에서 승리하거나, 지상을 폭격하여 최종적으로 제공권을 확보하기 위한 목적으로 개발되는 전술이를 뜻합니다. 군사 기술에서는 소리, 빛, 열, 레이더 신호를 활용하여 적을 탐지하는 기술과 그런 신호 노출을 최소한으로 줄이려는 노력 간의 경쟁이 치열한데요. 스텔스 기술은 신호 노출을 최소화하기 위한 매우 다양한 기술적 수단이 모여서 이뤄진 종합기술이에요.

F-117 스텔스 전폭기

스텔스 기술은 적의 레이더 및 감시 센서로부터 아군 무기 체계가 탐지될 확률을 감소시켜 아군의 생존성을 향상하기 위한 기술이에요. 미국의 스텔스 항공기가 걸프전 및 이라크전에서 크게 활약하며 스텔스 기술에 대한 필요성이 부각되기 시작하였는데요. 현대 전장 환경은 다양한 탐지 센서 및 전장감시체계의 발달로, 스텔스 능력 없이는 생존하기 어렵기 때문에 스텔스 무기체계의 개발은 필수적이랍니다.

 

모든 전자파는 공기 중에서 빛의 속도로 전파되지만 주파수에 따라서 그 종류가 구분되어요. 우리 눈으로 관찰 할 수 있는 빛은 약 460~790 ㎔(1㎔=1조㎐)의 주파수를 가지며, 적외선은 430 ㎔ 바로 아래 주파수 영역을 차지합니다. 이에 비해서 레이더에 사용되는 전자파는 주로 1~40 ㎓(1㎓=10억㎐)의 비교적 낮은 주파수를 사용해요.

레이더는 전자파를 송신해 상대 물체로부터 반사돼 돌아온 전자파를 수신해, 두 신호 간의 시간차와 도플러 주파수 변화량을 이용해 거리와 상대속도를 확인하는 방식이다.

 

스텔스 기술은 레이더 기술과 관련이 깊어요. 레이다(Radar)는 전자파를 목표물에 발사해 그 반사파를 측정하는 것으로써, 대상까지의 거리나 형상을 측정하는 장치에요. 원거리 물체와의 거리를 전자파로 계측해서 표시하는 것으로 비행기나 배의 위치 파악, 강수량 예측, 심해의 수심 측정 등에 사용됩니다.

 

레이다의 긴 파장 저주파는 전파의 감쇄가 작고 먼 곳까지 탐지하나 정밀한 측정이 되지 않아 해상도는 나쁩니다. 반대로 짧은 파장의 고주파는 공기중에 포함되는 수증기, 눈, 비 등에 흡수 또는 반사되기 쉽고 감쇄가 커서 먼 곳까지 탐사하지 못하지만 높은 해상도를 얻을 수 있는데요. 따라서 대공 레이다, 대지 레이다 등 원거리의 목표물을 빨리 발견해야 할 경우에는 저주파를 사용하고 사격관제 레이다 등 목표의 형태나 크기 등 정밀하게 측정할 필요가 있을 경우 고주파를 사용합니다.

 

최초의 레이다는 2차 세계대전 중에 영국에서 유학하던 두 일본 사람이 고안한 지향성(특정한 방향으로 전자파를 방사하는 성질)안테나인 야기-우다 안테나를 활용한 레이더인데, 정작 일본보다는 연합군이 전쟁에서 승리하는 데 크게 기여하였다고 해요.

현재 가장 널리 사용하는 레이다 시스템 중 펄스 레이다는 무선 에너지를 강한 펄스의 형태로 송신합니다. 가장 근거리 물체에서 반사하는 펄스는 전송한 직후에, 중간 거리의 물체에서 반사한 펄스는 좀더 시간이 지나서, 가장 먼곳의 물체에서 반사된 반향은 펄스 주기에 가까운 시간 뒤에 각각 레이다에서 수신되어요. 가장 먼곳에서 반사된 신호를 수신할 수 있을 만큼의 충분한 시간이 지나면 송신기는 펄스를 다시 송신하게 되며 이러한 과정을 반복해요. 

레이다 시스템의 2번째 형식은 연속파 레이더에요. 송신 신호를 짧은 펄스가 아닌 연속적 형태로 송신하므로 반향도 연속적으로 수신됩니다. 관찰되는 파의 주파수가 물체의 운동에 의해 변화하는 것을 측정하면 목표물의 운동 속력을 결정할 수 있습니다. 

주파수 변조 레이다에서는 송신되는 신호의 각 부분마다 어떤 표시를 하여 수신시에 구별이 가능하게 하는데 이는 송신신호의 주파수를 주기적으로 계속 변화시켜 얻어집니다. 

 

또 다른 레이다 형식은 광선 레이다인데 이는 무선주파수 대신 매우 좁은 폭의 레이저 광을 발사하는 것이에요.

 

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=IR3L3BKkoGM

 

위의 영상은 펄스 도블러 레이더가 어떻게 동작하는지에 대해 알려주는 영상입니다.

더욱 구체적인 내용을 이해하기 위한 분들께 도움이 되실 겁니다.

 

현대 기술력으로 스텔스기를 충분히 레이다에 잡을 수 있다

 

초기 스텔스 기술이 적용된 기체는 실제로 레이더 주파수를 반사 또는 분산시키는 효과가 있어 그 결과 항공기가 아예 잡히지 않거나, 반사량이 적어 새 또는 바람 정도로만 인식하게 만들 수 있었어요. 그러나 레이더 기술 또한 스텔스기를 잡아내는 방향으로 지속적으로 발전해왔고, 결국 초정밀 레이더 반사 기술과 새로운 전파의 사용 등으로 스텔스기도 상당 부분 잡을 수 있는 레이더 또한 개발되었어요.

 

바로 물질에서 반사되는 빛이 아닌 흡수되는 빛을 이용한 감지법이 발명된 것인데요. IBS 첨단연성물질 연구단 프랑수아 암블라흐 연구위원은 대상의 온도 증가를 이용한 탐지기술을 이론적으로 제안하고, 이를 활용해 일상생활에서 소리, 전파 같은 파장으로 현미경에서만 가능했던 초고해상도 촬영이 가능함을 보였는데요. 이번 발견은 군수 레이더, 자율주행차 등에 쓰일 것으로 기대된다고 합니다.

 

이번 연구는 빔이 만드는 온도 증가로 물체를 감지한다는 아이디어에서 출발했어요. 모든 물체는 원자들이 가진 열을 빛 형태로 방출하는데(복사) 공항에서 고열의 승객을 찾아내는 적외선 카메라도 이 원리를 사용하는데요. 그러나 레이더가 아무리 큰 에너지를 전달해도 스텔스기의 온도는 아주 미미하게 증가합니다.

▲ 반사 신호와 복사 신호의 해상도 비교

 

연구진은 아주 짧은 시간 동안 나타나는 온도 상승을 이용해 복사 광선 감지가 가능함을 보였습니다. 물체가 반사하는 빛이 빔 강도에 비례하는 것과는 달리, 복사로 방출되는 빛의 세기는 온도에 따라 매우 빠르게 증가하는 초선형성을 보여요. 대상에 적절한 빔을 쏘아 발생시킨 온도변화에 따라 복사량이 크게 달라짐을 이용하면, 역시 적절한 검출기로 이를 감지할 수 있어요. 

 

또한 이 초선형성 때문에, 반사를 이용했을 때보다 훨씬 높은 해상도를 달성할 수 있어요. 빔을 물체에 비출 때 중심 부분이 더 데워지면서, 복사가 빔 지름보다 작은 중심부에서 발생하기 때문이에요. 연구진은 이론적으로는 복사광선 방출 지점의 크기가 한없이 작아질 수 있음을 보였습니다. 이는 극도로 가까운 두 점을 구분할 수 있음을 의미해요.

 

이번 연구에서 제안한 감지 기술은 광학현미경에서만 가능했던 초고해상도 개념을 빔을 사용하는 모든 시스템으로 확장했다는 데 의미가 있어요. 본래 초고해상도 개념은 분자가 빛을 흡수하고 방출하는 원리이기 때문에 레이저를 이용한 현미경에만 적용할 수 있었기 때문인데요. 이에 반해 열복사를 이용한 이번 연구는 에너지를 가진 빔이라면 무엇이든 적용할 수 있어, 레이더와 같은 장거리 탐지 기술도 기존 해상도보다 훨씬 향상시킬 수 있어요.