조종석 계기판에 상대 항공기가 떠오르는데, 이쪽은 아무 신호도 내보내지 않았다면 어떻게 찾은 것일까요? 답은 열입니다. 하늘을 나는 항공기는 주변보다 따뜻하고, 따뜻한 물체는 눈에 보이지 않는 빛인 적외선을 냅니다. 그 빛을 받아 항공기를 찾고 따라가는 센서가 적외선 탐색·추적(infrared search and track, IRST)입니다.
레이다는 전파를 보내고 돌아온 반사를 읽습니다. IRST는 아무것도 보내지 않고 받기만 합니다. 이 차이 하나에서 IRST가 잘하는 것과 못하는 것이 거의 다 나옵니다.
묻는 센서와 듣는 센서
센서는 크게 두 가지로 나뉩니다. 능동(active) 기기는 에너지를 내보낸 뒤 되돌아온 신호의 변화로 자료를 모으고, 수동(passive) 기기는 자연 환경이 내는 에너지를 감지합니다. 레이다는 능동 센서이고 IRST는 수동 센서입니다.
레이다가 묻는 쪽이라면 IRST는 듣는 쪽입니다. 수동 체계는 자기 신호를 내지 않고 남이 내는 것을 듣기만 합니다. 레이다의 원리는 「레이다: 전파로 거리와 움직임을 어떻게 알까」에 정리되어 있습니다.
모든 물체는 적외선을 낸다
적외선(infrared)은 전자기 스펙트럼의 한 부분입니다. 사람 눈에는 보이지 않지만, 사람은 그것을 열로 느낄 수 있습니다.
적외선은 우연히 발견되었습니다. 1800년 윌리엄 허셜(William Herschel)은 가시광선의 색마다 온도계를 두고 온도 차를 쟀습니다. 그런데 빨강 끝 바로 바깥, 아무 색도 보이지 않는 곳에서 온도가 더 높게 나왔습니다. 눈에 보이지 않는 빛이 거기 있었던 것입니다.
이런 빛은 특별한 물체만 내지 않습니다. 온도가 절대 영도(-273°C)가 아닌 물체는 언제나 에너지를 반사하고, 흡수(absorption)하고, 내보냅니다. 그리고 물체가 뜨거워질수록 더 높은 진동수에서 더 센 복사를 냅니다.
불처럼 아주 뜨거운 물체는 눈에 보이는 빛도 냅니다. 사람처럼 그만큼 뜨겁지 않은 물체는 적외선만 냅니다. 야간 투시경이나 적외선 카메라는 이 적외선을 받아 따뜻한 사람과 동물을 "보여" 줍니다. 빛의 색과 파장(wavelength)의 관계는 「빛의 기초: 파동, 파장, 주파수, 광자」에 정리되어 있습니다.
적외선 안에도 구간이 있습니다. NASA는 적외선을 근적외선, 중적외선, 원적외선으로 나누고, 8~15 µm 영역을 지구과학자들이 열적외선이라 부른다고 설명합니다. 지구가 내보내는 열을 살피기에 가장 좋은 파장이기 때문입니다.
하늘에서 항공기가 보이는 까닭: 온도 차
적외선 센서에게 중요한 것은 온도 그 자체보다 차이입니다. 주변 환경보다 온도가 높은 물체일수록 적외선 센서로 찾기 쉽습니다. 같은 온도의 물체라도 주변이 얼마나 따뜻한지에 따라 보이는 정도가 달라지는 셈입니다.
어두운 방에서 손전등 없이 사람을 찾는다고 해 보겠습니다. 눈으로는 아무것도 보이지 않지만, 열을 보는 카메라에는 사람이 밝게 떠오릅니다. 사람이 방보다 따뜻하기 때문입니다.
비유가 다른 점도 있습니다. 방 안의 사람은 가까워서 크게 보이지만, 하늘의 항공기는 멀리 있어 아주 작은 점으로만 보입니다. 실제 센서가 하는 일은 넓은 하늘에서 그 작은 점을 찾아내는 것입니다.
미 의회조사국(CRS)에 따르면 미군은 오래전부터 적외선 신호로 적 항공기와 지상 차량을 추적하고, 미사일을 표적으로 유도해 왔습니다. 항공기가 쓰는 IRST 포드도 그 가운데 하나입니다. 제조사 록히드 마틴은 자사 IRST가 항공기의 열 신호, 곧 "외피(skin)"를 본다고 소개합니다.
방향은 잘 알고, 거리는 잘 모른다
적외선 센서는 방향을 정확히 재는 데 강합니다. 존스홉킨스 응용물리연구소(APL)의 1999년 기술 다이제스트는 해군 방어용 수동 적외선 영상 체계가 표적의 각도는 매우 정확히 추정하지만 거리는 주지 못한다고 썼습니다. 레이다와 견주어도 적외선 센서는 표적의 각도를 훨씬 잘 잽니다.
거리를 모르는 까닭은 받기만 하기 때문입니다. 미 연방항공청(FAA)의 공항 감시 레이다는 반사가 돌아오는 데 걸린 시간을 재어 항공기까지의 거리를 정합니다. IRST는 보낸 것이 없으니 잴 시간도 없습니다.
그래도 거리를 구할 길은 있습니다. 같은 표적을 떨어진 두 곳에서 보면, 두 방향선이 만나는 점이 표적의 자리입니다. 알려진 기선 위에 놓인 두 적외선 영상 센서로 삼각측량을 하면 거리를 정할 수 있고, 이때도 에너지를 내보낼 필요가 없습니다.
사람의 두 눈이 비슷한 일을 합니다. 두 눈은 조금 다른 자리에서 같은 물체를 보고, 뇌는 그 차이로 거리를 가늠합니다. 실제로는 거리를 얼마나 정확히 얻는지가 표적까지의 거리, 두 센서 사이 기선의 길이, 각 센서의 각도 오차에 따라 달라집니다.
공기가 정하는 한계
적외선은 공기를 지나며 일부가 흡수됩니다. 대기의 기체는 어떤 파장은 흡수하고 다른 파장은 통과시킵니다. 수증기, 이산화탄소, 오존에 흡수되는 영역을 흡수대라 하고, 대기가 투명해서 복사가 잘 지나가는 파장대를 대기의 "창"이라고 부릅니다. 대기는 중적외선의 일부와 원적외선 전부에 대해 거의 불투명합니다.
공기 말고도 조건이 하나 더 있습니다. 원격 탐사 기기는 햇빛을 반사하거나 열을 내는 물체와 사이에 가로막는 것이 없을 때, 곧 가시선이 있을 때 그 복사 에너지를 모읍니다.
전파는 사정이 다릅니다. 마이크로파 영역의 복사는 대부분 막힘없이 지나가서, 레이다 전파는 지면까지 닿습니다. 합성개구레이다가 밤낮과 날씨에 상관없이 고해상도 영상을 만들 수 있는 것도 그 덕분입니다. 빛이 공기 속에서 약해지는 방식은 「대기 전파: 흡수, 산란, 난류, 열 블루밍」에서 더 자세히 볼 수 있습니다.
레이다와 함께 쓰는 센서
IRST는 레이다를 밀어내는 장치가 아닙니다. APL은 함정의 센서 묶음 가운데 하나로 쓰는 적외선 체계가 자함 방어와 지역 방어에 서로 보태는 이점을 준다고 썼습니다. 적외선 센서의 정확한 각도를 이미 아는 거리와 합치면 표적의 높이도 매우 정확히 얻을 수 있습니다. 레이다와 적외선 센서가 서로의 빈 곳을 메우는 셈입니다.
항공기 쪽에서도 쓰임이 넓어졌습니다. CRS는 2021년 보고서에서, 항공기 설계가 레이다로 찾기 어렵게 레이다 반사 면적을 줄이는 쪽으로 나아가면서 IRST 포드가 적 항공기를 식별하는 데 쓰인다고 설명했습니다. 같은 보고서는 그 무렵 미 해군이 F-18E/F 슈퍼호넷용 IRST 포드 개발에 예산을 대고, 미 공군이 F-15C 이글용 IRST 능력을 조달해 왔다고 적었습니다.
레이저와 맞닿는 곳: 적외선과 추적
레이저 무기 쪽에서도 적외선은 낯익은 이름입니다. 어떤 파장이 공기를 잘 지나는지, 눈에 보이지 않는 빛은 어떻게 나뉘는지는 레이저 글에서도 자주 나오는 물음입니다. 그 이야기는 「파장은 왜 중요한가: 보이는 빛과 보이지 않는 빛」에서 이어집니다.
찾은 다음의 일도 닮았습니다. IRST는 이름 그대로 찾고(search) 따라갑니다(track). 레이저 무기도 빛을 한 점에 오래 붙들어 두려면 표적을 먼저 찾아 정확히 따라가야 하고, 그 일은 「김발과 조준·추적: 빔을 한 점에 붙들어 두는 일」에서 다룹니다.
다음에 읽을 글
- 「파장은 왜 중요한가: 보이는 빛과 보이지 않는 빛」: 적외선을 포함한 보이지 않는 빛을 파장으로 나누어 봅니다.
- 「김발과 조준·추적: 빔을 한 점에 붙들어 두는 일」: 찾은 표적을 따라가는 장치를 레이저 무기 쪽에서 봅니다.
- 「레이저로 재기: 거리 측정과 라이다의 기초」: 빛을 보내고 돌아오는 시간으로 거리를 재는 능동 방식을 봅니다.