레이다 화면에서 점 하나가 크게 보인다고 그 물체가 큰 것은 아닙니다. 나무나 유리섬유로 만든 작은 배는 잘 잡히지 않기도 합니다. 교재의 대표값으로는 자전거 한 대의 RCS가 사람의 두 배입니다. 레이다가 보는 "크기"는 자로 잰 크기가 아니라 되돌아온 메아리의 크기이기 때문입니다.
그 메아리의 크기를 넓이로 적은 값이 레이다 반사면적(radar cross section, RCS)입니다. "큰 비행기가 작게 보인다"는 말도 몸집이 줄었다는 뜻이 아니라 이 값이 작다는 뜻입니다. 이 글은 RCS가 무엇이고, 거리와 모양, 방향, 파장(wavelength, λ)이 그 값을 어떻게 바꾸는지를 교과서 수준에서 살핍니다.
RCS는 넓이로 적은 메아리의 크기
레이다는 전파를 보내고 돌아오는 것을 듣습니다. 물체에 닿은 전파는 여러 방향으로 흩어지고, 그 가운데 일부만 레이다 쪽으로 돌아옵니다. RCS는 표적이 전파를 받아 레이다 쪽으로 되돌려 보내는 에너지의 척도입니다.
정의는 조금 돌아서 갑니다. 어떤 넓이가 전파를 받아서 그 전력을 모든 방향으로 고르게 다시 내보낸다고 해 봅시다. 그 가상의 넓이가 실제 물체와 똑같은 세기의 메아리를 레이다에 만든다면, 그 넓이가 바로 RCS입니다. MIT 링컨 연구소의 공개 레이다 강의가 이렇게 정의하고, 단위는 제곱미터(m²)를 씁니다.
그래서 RCS는 물체의 겉넓이나 그림자 넓이와 다를 수 있습니다. 미 의회조사국(CRS) 보고서도 RCS를 "출발한 곳으로 되돌아오는, 잴 수 있는 레이다 신호의 양"으로 풀이합니다. 그리고 한 물체의 RCS는 숫자 하나로 끝나지 않습니다.
거리가 늘면 메아리는 빠르게 약해진다
레이다 거리 방정식은 네 가지를 한데 잇습니다. 표적의 성질인 RCS, 송신 전력과 안테나 같은 레이다의 특성, 레이다와 표적 사이의 거리, 그리고 대기 같은 매질의 성질입니다. RCS는 그 넷 가운데 하나일 뿐입니다.
거리의 몫은 큽니다. 전파는 가는 길에 넓게 퍼지고, 물체에서 돌아오는 메아리도 오는 길에 다시 퍼집니다. 강의 자료는 메아리의 세기가 레이다 쪽으로 오면서 거리의 제곱에 반비례해 준다고 적습니다. 가는 길과 오는 길을 합치면 거리의 네제곱으로 약해지니, 거리가 두 배가 되면 메아리는 16분의 1이 됩니다.
같은 물체라도 언제나 같은 모습으로 잡히지 않는 까닭이 여기에 있습니다. 영국 해사연안경비청(MCA)의 작은 배 안내서도 레이다 탐지가 레이다의 성능과 설치 높이, 표적의 거리·크기·모양·방향에 주로 달려 있고 파도와 대기의 영향도 받는다고 설명합니다.
모양과 방향: 거울과 종이의 차이
반사의 법칙은 빛과 전파에 똑같이 들어맞습니다. 반사각은 입사각과 같고, 두 각은 면에 수직인 선에서 잽니다. 이 법칙 하나로 모양과 방향이 왜 중요한지 대부분 설명됩니다.
종이는 어느 쪽에서 보아도 보입니다. 면이 거칠어서 빛이 닿는 곳마다 다른 각으로 튀어 사방으로 흩어지기 때문입니다. 거울은 매끈해서 빛을 정해진 한 방향으로만 보내고, 그 방향에 선 사람만 반사된 빛을 봅니다.
레이다는 손전등과 눈이 한자리에 붙은 관찰자와 비슷합니다. 거울 같은 면은 레이다를 똑바로 마주할 때만 메아리를 크게 돌려보내고, 다른 방향에서는 반사파가 레이다로 돌아오지 않습니다.
실제로는 빛과 다른 점이 있습니다. 매끈한지 거친지는 파장에 견주어 정해지므로, 빛에는 거친 면이 파장이 훨씬 긴 전파에는 매끈한 면처럼 굴 수 있습니다. 또 전파는 면에서만이 아니라 물체의 가장자리에서도 흩어집니다.
서로 직각인 두 면이 만나는 모서리는 특별합니다. 이 모서리에 닿은 빛은 들어온 방향과 정확히 나란하게 되돌아가고, 이것은 들어오는 각과 상관이 없습니다. 세 면이 서로 직각으로 만나는 모서리 반사기(corner reflector)는 입체적으로 같은 일을 합니다. 그래서 모서리 반사기는 레이다 반사기로 흔히 쓰입니다.
RCS는 표적의 모양과 재료, 레이다의 주파수(진동수, frequency)와 편파에 따라 달라집니다. 그래서 같은 물체라도 보는 방향과 주파수에 따라 RCS가 다릅니다.
파장과 크기의 관계
공은 RCS를 익히기 좋은 예입니다. 공의 RCS는 파장과 공의 크기를 견주어 세 구간으로 나뉩니다. 파장이 공보다 훨씬 길면 레일리(Rayleigh) 구간이고, RCS는 파장의 네제곱에 반비례해 아주 작아집니다. 파장이 공의 크기와 비슷하면 공명 구간이 되어, 곧바로 되돌아온 파와 공의 둘레를 돌아 나온 파가 서로 간섭하면서 값이 오르내립니다.
파장이 공보다 훨씬 짧으면 광학 구간입니다. 이때 공의 RCS는 πa², 곧 반지름 a인 공의 단면 넓이와 같아집니다. RCS를 넓이로 적는 감각을 잡기에 좋은 경우입니다. 다만 이 일치는 공에서 성립하는 이야기이고, 모서리나 평평한 면이 있는 물체는 방향에 따라 단면 넓이와 크게 다른 값이 나옵니다.
일상 물체의 대표값을 보면 차이가 얼마나 큰지 느낄 수 있습니다. MIT 강의의 표에서 새는 0.001~0.01 m², 사람은 1 m², 자동차·소형 트럭은 100~200 m², 배수량 5,000톤 함선(L 대역)은 10,000 m²입니다. 눈금 한 칸이 열 배인 로그 눈금으로 그려야 한 그림에 들어갑니다.
값이 작다고 레이다에 안 잡히는 것은 아닙니다. 미 국립기상청(NWS)은 기상 레이다가 비와 눈 말고도 새와 곤충, 바람의 변화, 산의 사면에서 되돌아오는 전파를 받는다고 설명합니다. 표의 값은 대표값이고, 같은 물체도 방향과 주파수가 바뀌면 값이 달라집니다.
일부러 크게 보이게 하는 경우: 작은 배의 레이다 반사기
RCS를 키우려는 쪽도 있습니다. 유리섬유나 나무로 만든 작은 배는 대부분의 경우 레이다 전파를 강하게 반사하지 않습니다. 큰 배의 레이다에 잘 보여야 충돌을 피할 수 있으니, 이런 배는 레이다 반사기를 대개 높은 곳에 답니다. 앞에서 본 모서리 반사기가 여기에 쓰입니다.
국제 규정도 있습니다. 해상인명안전협약(SOLAS) 5장 19규칙은 150 총톤 미만의 배가 가능하면 9 GHz와 3 GHz 레이다 모두에 탐지되도록 레이다 반사기나 다른 수단을 갖추게 합니다. 영국 MCA는 요트 'Ouzo'와 선원을 잃은 사고가 작은 배의 레이다 가시성이 나쁠 때의 치명적 결과를 드러냈다고 적었습니다.
MCA가 옮긴 국제해사기구(IMO) 기준은 RCS를 숫자로 요구합니다. 해수면 위 4 m 이상에 달았을 때 X 대역에서 7.5 m² 이상, S 대역에서 0.5 m² 이상이고, 이 값을 전체 방위 280° 이상에서 지켜야 합니다. 같은 반사기에 대역마다 다른 기준이 붙는다는 점에서도 RCS가 주파수에 따라 달라진다는 것을 볼 수 있습니다.
이 기준을 맞추면 반사기가 커져서 길이 15 m 미만의 배에는 맞지 않을 수 있습니다. 반사기와 달리 전원을 쓰는 능동 장치인 레이다 표적 증강기(radar target enhancer, RTE)도 있습니다. RTE는 레이다 펄스를 받아 키운 뒤 다시 내보내고, 몸집이 작아도 등가 RCS가 더 큽니다. 여기서도 RCS는 몸집이 아니라 되돌아오는 메아리의 크기입니다.
RCS는 어떻게 알아내나
RCS를 알아내는 길은 크게 셋입니다. 실물을 그대로 재는 것, 줄인 모형을 재는 것, 그리고 계산으로 예측하는 것입니다. 강의 자료의 측정·예측 그래프는 가로축이 표적을 바라보는 방위각입니다. 숫자 하나가 아니라 방향마다 값을 재서 그리는 셈입니다.
실물을 잴 때는 물체를 받침대 위에 올립니다. 스티로폼 기둥을 쓰는 까닭은 그 전기적 성질이 빈 공간과 비슷해서, 받침대가 메아리에 끼어들지 않게 하려는 것입니다. 축소 모형은 크기를 몇 분의 일로 줄인 만큼 주파수를 그 배수만큼 높여서 잽니다. 파장과 크기의 비를 실물과 같게 맞추는 방법입니다.
반사의 법칙이 빛과 전파에 같다는 점은 레이저 쪽에서도 쓰입니다. 아폴로 우주비행사들은 달에 모서리 반사기를 두었고, 지구에서 쏜 레이저 신호를 거기에 되튕겨 해마다 몇 센티미터씩 멀어지는 달까지의 거리를 잽니다. 빛으로 거리를 재는 원리는 레이저로 재기에서 이어집니다.
다음에 읽을 글
- 레이다: 전파로 거리와 움직임을 어떻게 알까: 메아리가 돌아오는 시간으로 거리를 재는 원리를 봅니다.
- 스텔스기: 정말 보이지 않는 비행기일까: RCS가 작다는 말이 실제로 무엇을 뜻하는지 이어서 봅니다.
- 전파흡수재와 흡수구조: 스텔스 도료만 바르면 될까: RCS에 재료가 주는 영향을 다룹니다.
- 빛의 기초: 파동, 파장, 주파수, 광자: 파장과 주파수를 다시 짚습니다.