먼 산까지 몇 킬로미터인지 눈으로 맞히기는 어렵습니다. 그래서 군은 오래전부터 거리를 재는 장비를 따로 만들었고, 1960년 레이저가 나온 뒤에는 빛을 쏘아 돌아온 시간으로 거리를 재기 시작했습니다.

이 글은 레이저 거리측정기가 무엇을 재는지, 그 전의 광학 거리측정기와 무엇이 다른지를 먼저 봅니다. 그다음 거리 재기가 레이저의 첫 쓰임 가운데 가장 컸다는 역사, 장비마다 붙는 눈 안전 등급, 국제 규범이 거리측정기를 어떻게 다루는지까지 이어 갑니다.

레이저 이전: 두 곳에서 보고 재기

레이저 이전의 거리측정기는 삼각형을 풀었습니다. 긴 막대 양 끝에 창을 두고 같은 물체를 봅니다. 두 창 사이의 길이, 곧 기선(base)을 알고 두 시선이 이루는 각도를 알면 물체까지의 거리가 나옵니다.

사람의 두 눈이 하는 일을 훨씬 넓은 간격으로 하는 셈입니다. 실제로는 기선이 두 눈 사이보다 훨씬 길다는 점이 다릅니다.

이 방식은 기선이 길수록 잘 맞습니다. 1차 대전 무렵의 함포 사격통제를 다룬 역사 논문에 따르면, 미국 모델의 기선은 18~20피트였고 영국 것은 9피트여서 오차가 두 배였습니다. 광학 거리측정기는 1930년대 말에서 1940년대 초에 레이다에 자리를 내주었습니다.

광학 거리측정기는 빛을 내보내지 않습니다. 물체에서 오는 빛을 받기만 하는 수동(passive) 방식입니다. 존스 홉킨스 대학교 응용물리연구소(APL)가 1999년에 소개한 적외선 수동 거리측정 연구도 두 시점을 렌즈 하나에 모으는 같은 생각을 썼습니다. 이 방식은 거리와 각도를 재는 동안 에너지를 전혀 내보내지 않습니다.

두 칸으로 나뉜 도표. 왼쪽 칸은 긴 막대 양 끝의 두 창에서 먼 물체로 선 두 개가 모여 좁은 삼각형을 이루고, 빛을 내보내지 않는 수동 방식이라고 적혀 있다. 오른쪽 칸은 장치에서 물체로 펄스가 나가고 약한 반사가 돌아오며, 빛을 내보내고 돌아온 시간을 재는 능동 방식이라고 적혀 있다. 값은 없다
레이저 이전의 광학 거리측정기는 두 곳에서 본 각도로 삼각형을 풀고, 레이저 거리측정기는 빛이 갔다 온 시간을 잽니다 (도표)(도표)

빛을 보내고 돌아온 시간 재기

레이저 거리측정기는 반대로 능동(active) 방식입니다. 펄스 레이저(pulsed laser)가 짧은 빛 묶음을 물체 쪽으로 보내고, 물체에서 되돌아온 약한 빛을 검출기가 받습니다. 장치는 보낸 때와 받은 때 사이의 시간을 잽니다. 이 시간은 가는 길과 오는 길을 합친 왕복 시간이라서 반으로 나눕니다.

거리 = 빛의 속도 × 왕복 시간 ÷ 2

자 구실을 하는 빛의 속도는 진공에서 299 792 458 m/s입니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 상수표에서 이 값의 불확도는 "정확(exact)"입니다. 이 값으로 계산하면 왕복 1 µs는 약 150 m, 10 µs는 약 1.5 km, 1 ns는 약 15 cm입니다.

왕복 시간과 거리를 짝지은 막대 도표. 왕복 1 ns는 약 15 cm, 1 µs는 약 150 m, 10 µs는 약 1.5 km이고, 거리는 빛의 속도 곱하기 왕복 시간 나누기 2라는 식과 빛의 속도 299 792 458 m/s가 적혀 있다
왕복 시간이 거리로 바뀌는 눈금. 빛의 속도로 계산한 예입니다 (도표)(도표)

미 항공우주국(NASA)의 위성 ICESat-2도 같은 순서를 밟습니다. 레이저 펄스를 땅으로 보내고, 돌아온 광자를 망원경으로 모으고, 광자가 오간 시간을 기록합니다. 위성 측량과 라이다 쪽 이야기는 레이저로 재기: 거리 측정과 라이다의 기초에 더 자세히 있습니다.

첫 레이저와 첫 거리측정기

첫 레이저는 1960년 5월 16일에 빛을 냈습니다. 휴스 연구소(Hughes Research Laboratories)의 물리학자 시어도어 메이먼(Theodore Maiman)이 만든 합성 루비 레이저였습니다. 지금의 HRL 연구소가 적은 역사에는 군이 이 기술을 무기 쪽으로 특히 눈여겨봤지만, 처음에 가장 크게 쓰인 곳은 추적과 감지, 거리 재기였다는 대목이 있습니다.

초기 개발의 흔적은 미국물리학회(AIP)의 구술사 기록 목록에도 남아 있습니다. 휴스 항공사(Hughes Aircraft Company)에서 일한 연구자의 구술사 한 편이 레이저 거리측정기의 설계와 개발을 중심으로 다룹니다. 프랭크퍼드 조병창(Frankford Arsenal)과 고등연구계획국(ARPA)을 위한 계약 일, 첫 "Mark II Colidar"와 생산 이야기도 들어 있습니다.

미 의회조사국(CRS) 보고서가 옮긴 연구소 자료도 첫 레이저가 고체 레이저였고, 오늘날 와트급 고체 레이저가 표적 거리측정기 같은 군사 용도에 쓰인다고 설명합니다.

오늘날 군 장비 속 거리측정기

레이저 거리측정기는 홀로 쓰이기보다 다른 장비 안에 들어가는 경우가 많습니다. 미 육군 레드스톤 병기창 역사실의 미사일 TOW 연표를 보면, 개량 표적 획득 장치(ITAS)는 2세대 전방 감시 적외선 장비(FLIR), 레이저 거리측정기, 자동 추적 기능을 함께 넣어 표적을 찾고 알아보는 능력을 높인 개량이었습니다.

거리를 재는 일과 표적을 레이저로 비추는 일을 한 장비에 묶기도 합니다. 레이저 표적 지시기(laser designator)와 거리측정기를 합친 미 육군의 경량 레이저 지시·거리측정기(Lightweight Laser Designator Rangefinder, LLDR)가 그런 예입니다. 비추는 쪽의 원리는 정밀유도폭탄 글에서 다룹니다.

잰 거리는 계산 장치로 넘어갑니다. 1차 대전 무렵의 함정에서도 거리측정기가 잰 현재 거리를 전화로 계산실에 알렸고, 그곳의 기계식 계산기가 그 값을 받았습니다. 거리측정기 하나로 조준이 끝나지 않는다는 뜻입니다. 센서와 계산 장치가 이어지는 흐름은 사격통제체계 글에 있습니다.

눈 안전: 등급과 파장

거리측정기는 사람이 있는 곳에서도 쓰이니 눈 안전이 늘 따라붙습니다. 미 육군 안전센터는 모든 레이저 장비에 등급을 밝힌 경고 표지가 있어야 하고, 병사가 쓰는 거리측정기와 표적 지시기에도 이 표지가 붙는다고 안내합니다. 같은 안내의 등급표에서 1등급은 "Eye Safe", 3B등급은 직접 보면 위험한 등급입니다. 등급을 읽는 법은 레이저 안전 글에 정리했습니다.

사고는 실제로 있었습니다. 2009~2010 회계연도에 미 육군 안전센터에 들어온 레이저 눈 부상 사고 보고는 16건이었습니다. 이런 부상은 알맞은 교육을 받고 배운 것을 지키면 막을 수 있습니다.

레이저 안전 등급(laser safety class)과 함께 파장(wavelength)도 중요합니다. 국제비전리방사선보호위원회(ICNIRP) 지침은 가시광과 근적외선, 곧 400~1,400 nm에서 망막 손상 위험이 특히 걱정된다고 적습니다. 점광원이라면 빛의 세기가 각막에서 망막에 이르는 동안 약 10만 배 커집니다. 1,400 nm보다 긴 파장에서는 걱정거리가 각막과 피부의 열 손상으로 바뀝니다.

가로 파장 축 위에 띠를 그린 도표. 400~1,400 nm는 망막까지 닿아 망막 손상 위험이 특히 걱정되는 영역이고, 1,400 nm보다 긴 쪽은 각막과 피부의 열 손상이 생기는 영역이다. 1.54~1.57 µm에 눈에 안전하다고 불린 레이저 레이다 파장이 표시되어 있고, 아래에 눈에 안전한 파장이라도 어떤 출력이든 안전하다는 뜻은 아니며 등급 표지를 따른다는 메모가 있다
파장에 따라 빛이 눈의 어디까지 닿는지가 다릅니다. ICNIRP 지침과 DSIAC 글의 값만 옮겼습니다 (도표)(도표)

1,400 nm보다 긴 파장을 쓰는 장비도 있습니다. 미 국방 시스템 정보 분석 센터(DSIAC)의 적외선 기술 글은 레이저 레이다가 1.54~1.57 µm로도 영상을 만들 수 있고, 이 파장 선택이 눈에 안전하다(eyesafe)고 적었습니다.

그렇다고 어떤 출력이든 괜찮다는 뜻은 아닙니다. 앞의 지침대로 1,400 nm보다 긴 파장에서도 각막과 피부의 열 손상은 생길 수 있습니다. 장비에 붙은 등급 표지를 따르는 것이 기준입니다.

실명 레이저 금지와 거리측정기

특정재래식무기금지협약(CCW)의 의정서 IV는 영구 실명을 일으키도록 특별히 설계된 레이저 무기의 사용과 이전을 금지합니다. 2조는 레이저 체계를 쓸 때 영구 실명을 막기 위해 할 수 있는 모든 예방 조치를 하라고 하고, 그 조치에 군의 교육을 넣었습니다. 레이저 체계를 정당하게 군사적으로 쓰다가 부수적으로 생긴 실명은 3조에 따라 이 금지에 들지 않습니다.

유엔 군축사무소(UNODA)의 협약 안내서는 3조가 말하는 다른 레이저 체계의 예로 거리측정기와 표적 선택 장치를 듭니다. 이런 장비는 금지 대상이 아니지만, "할 수 있는 모든 예방 조치"는 그대로 지켜야 합니다. 의정서가 만들어진 과정은 눈 안전과 국제 규범: 실명 레이저 무기 금지 의정서에 있습니다.

한계: 빛이 지나는 공기

레이저 빛은 공기를 지나 물체까지 갔다가 다시 돌아와야 합니다. 공기 속 수증기, 먼지, 연기 같은 물질은 빛을 흡수(absorption)하고 산란(scattering)시킵니다. CRS는 함정용 레이저 무기에 대해 이런 효과가 레이저의 유효 사거리를 줄일 수 있다고 적었습니다.

측정 쪽에서도 같은 문제가 나타납니다. 위성 ICESat-2의 레이저 측정에서도 공기 속 입자나 구름이 지표 자료를 흐트러뜨릴 수 있습니다. 빛이 돌아오지 못하거나 엉뚱한 곳에서 돌아오면, 시간을 아무리 잘 재도 원하는 거리는 나오지 않습니다. 공기 이야기는 대기 전파: 흡수, 산란, 난류, 열 블루밍에서 더 이어집니다.

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