페이퍼요약 - 군사 광전자 시스템 테스팅 by Chrzanowski

제목: 군사 광전자 시스템 테스팅(Testing of military optoelectronic systems)

저자: K. Chrzanowski, 폴란드 군사 기술 대학

문서유형: 저널 페이퍼(총 8 페이지), 2001년 Opto-electronics Review

 

군사 광전자 기술을 이용하는 시스템을 세가지 그룹(유도 미사일, 이미징 시스템, 유도 방향 전환 장치)으로 분류하여, 각 그룹에 통상적으로 적용되는 테스팅에 대하여 기술한 자료

---

광전자 헤드를 장착한 유도 미사일 테스팅(Testing of missiles with optoelectronic heads)

• 미사일 유도를 위해 주로 사용되는 광전자 방법으로 망선 방법(reticle method), 이미지 분석(image analysis), 레이저 방사에 의한 목표물 조사(target irradiation by laser radiation), 레이저 빔 방법(method of laser beam), 광섬유선 방법(fibre line metod)의 5가지가 있음
• 이 방법들은 제각각 장/단점을 가지고 있으며, 한 가지 이상의 방법이 혼합되어 사용되기도 함
• 유도 미사일 테스트에서는 타겟 발견이 가능한 최대 범위(maximum detection range)가 어느 정도인지가 중요한 테스트 항목
• 시간이 지남에 따라 목표물 발견 성능(detector responsivity)이 감소할 수 있으므로 미사일 사용 기간(대략 30년 또는 그 이상) 동안 1~2년 마다 주기적으로 테스트 해야 함

 

아래 그림은 광전자 유도 미사일의 목표 발견 범위를 테스트 하는데 사용되는 측정기(measuring set)의 간단한 구조이다.

• 시뮬레이터는 테스트 대상 미사일의 단일 목표물(single target)을 흉내 내며, 적외선 소스(infrared source)와 시준기(collimator)의 두 가지 부분으로 구성
• 시뮬레이터로부터 나오는 발광(radiation)이 미사일의 광전자 헤드에 도착하면 미사일의 전자 채널 제어 지점에서 신호가 생성된다. 만약 이 신호가 미사일 제조업자가 설정한 기준치를 만족시키지 못하면 미사일의 목표물 탐지 범위가 요구되는 수준에 미치지 못한다는 의미이며, 결과적으로 미사일이 테스트를 통과하지 못한 것으로 판정됨(해당 미사일은 사용 불가 처리)
• 정적 시뮬레이터 테스팅(static simulators testing)에서 측정하는 세 가지 패러미터는 특정 스펙트럼 밴드에서 복사력(power of radiation within the specified spectral band), 방사 빔의 확산각(divergence angle of the emitted beam), 빔의 조사 분포 균일성(uniformity of irradiance distribution within the beam)
• 시뮬레이터 측정 결과에 따라 군사적, 경제적으로 중요한 의사결정이 이루어지므로 멀쩡한 미사일을 폐기하거나 반대로 문제 있는 미사일을 사용 가능으로 평가하는 일이 없도록 시뮬레이터 자체도 주기적으로 테스트가 필요함

열 이미징 시스템 테스팅(Testing of thermal imaging systems)

• 열 이미징 시스템의 가장 중요한 패러미터는 ‘최소 해상 가능한 온도 차이(The minimum resolvable temperature difference: MRTD)’
• MRTD는 군사 목표물의 발견(detection), 인식(recognition), 식별(identification) 확률을 추정 가능하게 함
• 군사 표준에서는 테스트 대상 열 이미징 시스템(예, 군사용 열 카메라)의 공간 주파수 MRTD가 설정된 특정 수치 보다 낮아야 테스트를 통과하는 것으로 명시

 

아래는 열 이미징 시스템의 MRTD 테스트를 위한 측정기(measuring set)의 구조이다.

MRTD 측정 절차는 아래와 같다.

• 차등의 공간 주파수를 가진 일련의 표준 4-bar 목표판(target plates)을 회전 바퀴에 고정
• 목표판들 중 하나가 적외선 시준기(IR collimator)의 시계에 들어오고, 차등 흑체(differential blackbody)가 해당 목표판의 바로 뒤에 위치
• 목표물 표면 및 흑체 상의 휘도 분포(luminance distribution)가 열 이미징 시스템의 모니터에 보여지고, 이를 관측자가 관찰함
• 관측자가 4-bar 목표물을 식별할 수 있을 때까지 바(blackbody)와 해당 바의 상대(target) 사이의 온도 차이가 점진적으로 증가 à 이런 온도 차이가 MRTD이다.
• 관측자가 측정을 하는데 있어서 시간 제한은 없고 스크린과의 거리도 자유롭게 조정할 수 있음(테스트 대상 영상표시기의 Zoom 기능 사용 가능)
• 테스트에 따라 또는 관측자에 따라 MRTD 측정 결과는 달라질 수 있음

열 이미징 시스템 중에서 영상 강화기(image intensifiers), 티브이 카메라(TV cameras), 저조도 텔레비전(Low light level television: LLLTV)의 테스팅에 가장 중요한 패러미터는 해상도(Resolution)이다.

군사 표준에서 광전자 시스템 ‘해상도’에 대한 정의: 특정 조도와 명도 대비에서 관찰자에 따라 회전될 수도 있는 표준 라인 패턴의 최대 공간 주파수(Maximal spatial frequency of a standard line pattern that can be revolved by an observer at a certain illumination level and the target contrast)

아래의 사이즈가 감소하는 일련의 패턴으로 구성된 ‘USAF 1951 표준 타겟’이 군사용 영상 강화기, 티브이 카메라, LLLTV 카메라의 해상도 측정을 하는데 주로 사용된다.

아래는 영상 강화기, 티브이 카메라, LLLTV 카메라의 해상도 테스트를 위한 측정기의 구조이다. 시준기(collimator), USAF 1951 타겟, 조명기(illuminator)의 세 부분으로 구성된다.

• 조명기(illuminator)는 시준기의 초점면(focal plane)에 고정된 USAF 1951 타겟에 균일하게 조명을 주어야 함.
• 시준기는 USAF 1951 타겟의 이미지를 테스트 대상 기기에 투영
• 관찰자의 눈에 회전이 되는 USAF 1951 타겟의 최대 공간 주파수를 해상도로 측정
• 측정 도중 관찰자는 타겟에 주어지는 조명 레벨을 조절할 수 있음
• 인간의 눈은 반복에 한계가 있으므로 적어도 세 명의 관측자가 측정한 결과를 종합한 평균으로 결과를 산출

광전자 유도 공격의 방비책(Testing of countermeasures)

광전자 기술을 이용한 적의 공격을 방해하는 활동으로 아래와 같은 것들이 있다. 

1) 연막(smoke screens)

• 적이 목표로 하는 타겟이 방출하는 열복사를 연막으로 싸서 식별이 되지 않도록 함
• 연막 테스트를 위해 투과도 대비 파장(the transmittance vs. wavelength)과 방사 스펙트럼 분포(the spectral distribution of the emitted radiation)를 실험 환경 또는 실제 필드에서 측정
• 표준 타겟을 이용하여 연막의 효과성을 테스트 하기도 한다. 즉, 표준 타겟에 연막을 쳤을 때 이 타겟이 열 영상표시기(thermal imager) 스크린에서 일정 시간 동안 사라지면(또는 정확도가 왜곡되면) 해당 연막이 테스트를 통과한 것으로 판정

2) 위장 페인트와 망(camouflage paints and nets)

• 위장 페인트를 이용해 적의 눈에 뛸 가능성을 줄이고, 위장망은 사람의 눈 뿐만 아니라 적외선 및 극초단파(infrared and microwave ranges)에서도 적이 군사 타겟을 식별하기 어렵도록 만듬
• 보호할 군사 목표물 표면의 반사율 분포(reflectance distribution), 온도(temperature), 방사율 분포(emissivity distributions)를 주변 배경의 반사율 분포, 온도, 방사율 분포와 비슷하게 만드는 기술
• 위장망 테스트를 위해 실험 환경에서 반사율 대비 파장(the reflectance vs. wavelength), 온도, 방사율 분포를 측정
• 실제 필드 테스트에서는 표준 타겟에 위장망을 적용하고, 광전자 이미징 시스템(예, 열카메라, 이미지 강화기, 티브이 카메라)에서 타겟의 이미지가 사라지면(또는 타겟 정보가 왜곡되면) 위장망이 테스트를 통과한 것으로 판단

3) 조명탄(flares) 또는 미끼(decoys)

• 조명탄(flares) 또는 미끼(decoys)로 적이 목표로 하는 타겟을 가장하여 적의 공격이 실패하도록 하는 기술
• 위장 페인트와 망이 고정된 군사 목표물의 보호에 적합한 반면 이 방법은 움직이는 목표물(항공기, 헬리콥터, 배, 지상 차량)의 보호에 적절
• 조명탄 같은 작은 규모 decoy의 테스트를 위해서는 방사의 세기 대비 파장과 시간(The power of emitted radiation vs. wavelength and time)을 측정
• 좀 더 복잡한 3D decoy 테스트에서는 decoy와 보호할 군사 목표물의 이미지를 여러 다른 스펙트럼 밴드에서 레코딩하고, 이를 비교하여 decoy가 목표물을 완벽하게 흉내 내는지(즉, 모든 스펙트럼 밴드상에서 decoy가 목표물과 비슷한지) 확인

4) 방해/교란 시스템(Jamming systems)

• 강한 세기의 조명탄을 여러 개 사용하여 공격 미사일의 센서를 교란시키거나 목표물을 광전자 이미징 시스템에서 일시적으로 사라지게 함
• 강한 섬광전구(High power bulbs)나 레이저도 공격 미사일의 센서를 교란시킬 수 있으며, 레이저 조명탄(laser illuminators)은 이미징 시스템을 조작하는 사람의 시야를 파괴하는데 사용
• 이러한 교란 시스템에서는 방사의 세기(The power of emitted radiation)가 가장 중요한 패러미터이므로 특정 스펙트럼 밴드에서의 방사의 방향 및 시간 특성을 측정

5) 스텔스 기법(Stealth technique)

• 적 무기의 설계를 바꾸어 버리는 것으로서, 공격 미사일 방향으로 약복사(Low power radiation)의 펄스(Pulses)를 발산하여 적 미사일의 센서를 교란시킨다. 스펙트럼(spectrum), 주파수(frequency), 펄스 길이(pulse duration)를 적절히 조합하면 공격 미사일의 비행 경로를 목표물로부터 벗어나도록 변경 가능
• 이러한 약복사 교란 시스템의 테스트에서는 스펙트럼, 주파수, 펄스 길이, 방사 펄스 세기(power of the pulses of the emitted radiation)를 측정

6) 레이저 경고시스템(Laser warning systems)

• 다가오는 위협에 대한 조기 경고를 통해 아군의 군사 목표물을 보호하는 시스템
• 바람직한 레이저 경고시스템은 파장, 세기(powers), 주파수, 시간폭(time width), 방향이 제 각각인 레이저 복사의 펄스를 식별하고, 이러한 복사의 정확한 방향도 알아낼 수 있어야 함
• 테스트에서 측정하는 레이저 경고 시스템의 패러미터는 시스템 명세에 따라 다양하지만 공통적으로 발견 필드(field of detection), 스펙트럼 밴드(spectral band), 주파수 밴드(frequency band), 요구되는 최소 조사 시간(minimal required time of irradiation)을 측정. 적이 측정된 범위 또는 시간을 벗어나도록 radiation을 보내면 경고 시스템이 이를 잡아내지 못하고 결과적으로 제 역할을 못하게 됨