전자광학 영상센서 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/14762096662.pdf · 수 있는 첨단 무기체계와 핵심기술을 확보하고 있는 편에서 전쟁의

물리학과 첨단기술 January/February 2006 11

저자약력

홍석민 박사는 충남대 전자공학 박사(1995)로, 1979년 국방과학연구소

에 입소한 이래 연구원, 열상장비팀장, 전자광학실장, 광학/열상센서 팀장,

미 육군 ARDEC 연구소의 교환연구원(2001)을 거쳐 현재 기술연구본부

전자광학부장으로 재직 중이다. ([email protected])

참고문헌

[1] 한국적 군사혁신의 비전과 방책, 국방부 (2003).

[2] 2003 국방과학기술조사서, 국방과학연구소 (2004).

[3] R. D. Hudson, Jr., Infrared System Engineering (John Wiley&Sons, 1969).

자 학 상센서

홍 석 민

머리말

문명사회의 패러다임이 20세기의 산업사회에서 21세기의 정보사회로 환됨에 따라 쟁의 양상도 정보․지식

심으로 변화하고 있다.[1] 특히 1991년의 걸 이후, 코소

보 , 아 간 가장 최근의 이라크 등은 모두 정보․

자 화된 장에서 먼 보고, 먼 결심하고, 먼 타격할

수 있는 첨단 무기체계와 핵심기술을 확보하고 있는 편에서

쟁의 주도권을 행사하 다.정보․지식 기반의 력시스템을 지닌 정보․기술군의 경우,

먼 보고 먼 결심하기 해서는 정보 우 , 즉 장 상황을

실시간 는 근실시간으로 가시화 할 수 있는 정보, 감시 정

찰(ISR: Intelligence, Surveillance and Reconnaissance) 능력이 우선 으로 요구되며, 주․야 구분 없이 24시간 자화

된 장에서 을 공간 , 시간 으로 고정시키는 것이 쟁

승패의 주요한 요인이 된다.[2] 자 학 상센서들은

장에서 신속하게 정확한 정보를 제공할 수 있어 그 필요성

이 격히 증 되고 있는 기술 하나이다.군사 용도로 사용하는 자 학센서의 경우, 부분 가시

선(visible light) 역과 으로는 볼 수 없는 자외선(UV: ultraviolet) 외선(IR: infrared)의 학 장 역을 이

용하여 표 정보를 획득하며 한 기 신호처리 과정

을 거쳐 이를 상이나 데이터로 제공한다. 가시 선은 자

의 역 0.38∼0.77 μm 장 역으로 사람의

으로 감지할 수 있는 장 역이고, 외선은 0.77 μm∼1 mm(1000 μm) 장 역으로 가시 선과 이더/통신 장

역 사이에 존재하는 자 이다. 외선은 학자에 따라 다르

지만 개 0.77∼3 μm까지를 근 외선(near infrared, SWIR), 3∼6 μm까지를 외선(mid infrared, MWIR), 6∼15 μm

까지를 원 외선(far infrared, LWIR)이라 하고 15 μm 이상

1000 μm까지를 극원 외선(extreme infrared)이라고 부른

다.[3] 외선 역은 일반 인 군사 표 들이 방출하는 에

지의 장 역, 검출기의 검출 특성과 기투과특성 때문에

1 μm 근처의 근 외선, 3∼5 μm의 외선 8∼12 μm의 원 외선 등 일부 역만이 활용되고 그 밖의 역은 사

용되지 않는다. 자외선은 0.001 μm(1 nm)∼0.38 μm 장

역으로 최근 유도탄 탐색기 는 경보기 등의 센서로 활용

하는 연구들이 진행되고 있다.에 의한 표 탐지는 탐지에 비해 짧은 장

역을 이용하므로 극히 상세한 정보를 얻을 수 있으며 센서부

분의 물리 길이가 짧아도 되는 등 많은 장 이 있다.

이더 등 를 사용하는 다른 정보장비들이 부분 탐지를

주로 하는 것에 비하여 물체의 실제 모양을 실시간에 상

으로 측하게 하는 등 정보의 신뢰도가 가장 높은 것으로

알려져 있으며 아울러 효과 분석까지 용이하다. 특히 최근의

자 학 상센서들은 이더 장비들과는 달리 부분 자

를 방출하지 않는 수동형(passive) 센서로 개발되므로 에

게 노출될 험도 매우 다.본 고에서는 자 학 센서기술 상센서 기술들을

심으로 군사 으로 많이 운용되거나 응용 정인 기술들을

다룬다. 상용으로 많이 개발되어 있는 CCD 등 일반 인

상센서 기술들은 본 고에서 제외토록 하며, 야간 측용 상

센서와 군사 활용도가 높을 것으로 상되는 미래 상센

서 기술에 국한하여 기술한다.

야간 측 상센서 기술 군사 응용

1. 증폭 야시장비 기술

가시 선/ 외선 역의 수동형 상장비로 야간에 측이


0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 6 8 10 15 20 3025,000 10,000 5000 2500 1000 500

Wavelength, µWavenumber, cm-1

Visible Near infrared(NIR) Mid IR Far IR Extreme IR(가시광선) (근적외선) (중적외선) (원적외선) (극원적외선)V B G Y O R

EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF

Radio

WavelengthFrequency, Hz

Gammarays

X-rays Ultraviolet(자외선)

Infrared(적외선)

Visible(가시광선)

0.1Å 1Å 10Å 100Å 0.1 µ 1 µ 10 µ 100 µ 0.1cm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 10 km 100km

3 101 9 3 1018 3 1017 3 1016 3 1015 3 1014 3 1013 3 1012 3 1011 3 1010 3 109 3 10 8 3 107 3 106 3 105 3 104 3 103

전파광파

0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 6 8 10 15 20 3025,000 10,000 5000 2500 1000 500

Wavelength, µWavenumber, cm-1

Visible Near infrared(NIR) Mid IR Far IR Extreme IR(가시광선) (근적외선) (중적외선) (원적외선) (극원적외선)V B G Y O R

EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF

Radio

WavelengthFrequency, Hz

Gammarays

X-rays Ultraviolet(자외선)

Infrared(적외선)

Visible(가시광선)

0.1Å 1Å 10Å 100Å 0.1 µ 1 µ 10 µ 100 µ 0.1cm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 10 km 100km

3 101 9 3 1018 3 1017 3 1016 3 1015 3 1014 3 1013 3 1012 3 1011 3 1010 3 109 3 10 8 3 107 3 106 3 105 3 104 3 103

전파광파

그림 1. 전자파 영역에서 광파의 파장 범위.

그림 2. 적외선 파장 영역의 대기 투과 특성.

참고문헌

[4] Electro-Optics Handbook, RCA.

가능한 야시장비는 통상 증폭 야시장비(image intensified system)와 열상장비(thermal imaging system)로 구분된다. 증폭 야시장비는 야간의 자연 (별빛, 달빛과 천공 )이나

인공 (조명, 담뱃불 등)의 미소한 빛을 감지하여 상 증폭

(image intensifier)이라는 특수한 진공 에서 자로 변환하

고 이를 수천, 수만 배로 증폭시켜서 형 화면상에 밝게 표

시하는 것이다.[4]

1960년 처음 등장한 1세 증폭 야시장비는 음극

(photocathode)에서 방출된 자를 고 압으로 가속하여 형

면에 충돌시키는 상증폭 을 다단계로 사용하 으며 베

트남 에서 사용된 바 있다. 70년 에는 미세 자 증배기인

MCP(Micro Channel Plate)의 개발로 1단만으로 상을 증

폭할 수 있는 2세 장비로 발 하 다. MCP는 수백만 개의

lead-silica 유리미세 다발로 이루어져 있으며 자가 미세

한 유리미세 의 자 방출층을 통과하면서 103～104

배로 증

배된다. 재는 신 인 음극 구조와 표면 활성화 기술의 개

발로 넓은 스펙트럼 역에서 이 장비보다도 30% 정도 높

은 효율을 갖는 3세 장비가 주로 사용되고 있다. 3세

상증폭 은 음극 의 재질을 1세 2세 의 III-V족 화

합물(Na-K-Cs-Sb) 신에 GaAs를 사용함으로서 감응 역을

기존의 가시 선 역(0.4 μm～0.8 μm)에서 근 외선 역

까지 더욱 확장(0.5 μm～0.9 μm)시켰고, 2세 와 비교하여

크기나 무게 등의 외형은 동일하나 감응도가 3배 이상, 분해

능은 40% 정도가 향상되었으며 신뢰성 면에서도 MCP 면

에 이온 방지막(ion barrier)을 설치하여 음극 을 보호하

게 하여 수명을 크게 향상시켰다. 특히 여명이나 야간에 수

풀과 군복의 조비가 큰 근 외선 역에서의 감응도가 월

등히 좋아졌기 때문에 무월 , 별빛 하에서 측성능이 2세에 비해 매우 우수하다. 실제로 미 육군의 시험 결과에 의

하면 3세 야간투시경의 무월 별빛 하에서의 측성능은

2세 의 1/4월 하의 성능과 비슷한 양상을 나타내고 있

다.


구 분 음극 재질 주요 특성

1세 S-20 (Na-K-Cs-Sb)

3단 증폭(크기/무게 과다) 상 왜곡이 심함

2세 S-20ER, S25 (Na-K-Cs-Sb)

MCP 이용 1단 증폭

상왜곡 감소(20 → 5%) 섬 , 잔상 효과 감소

3세 GaAs 감응 장 역 확장(0.8 → 0.9 μm) 분해능증 (28 → 36-64 lp/mm) 신뢰도증 (2000 → 10000시간)

4세 GaAs 분해능증 (64-92 lp/mm) 신호 잡음비 증 (21 → 26)

표 1. 영상증폭관의 발전.

음극MCP

(미세 자증배기) 형 화면

입사 자

기 자 방출 자 방출 자

고 압

진공튜

- +

그림 3. 영상증폭관 구조와 미세 전자증배기의 광 증폭 개념.

그림 4. 보병 휴대용 야간투시경(양안형 및 단안형)과 야간 영상.

증폭 야시장비는 섬 이나 조명 등 실제 장 환경에

서의 사용이 제한되고 기상 조건 월 조건에 성능이

많은 향을 받지만 소형 경량화가 가능하여 개인 휴 의

야간투시경으로 군사 사용과 기술 발 이 계속 진행되고

있다.차세 상증폭 의 특징으로는 1.7 μm의 근 외선 역

까지 감도를 향상시킨 음극 과 청록 역에서의 효율 증

를 들 수 있다. 한 거리 증가와 시계 확 기술이 계속

연구 에 있고, 장차 실제 색상(true-color)을 띤 야간 상

이 구 될 망이다. 미 육군은 박막이 코 되지 않은 MCP와 상 번짐 상을 이고 뚜렷한 상을 제공하는 자동

게이트 원의 성능을 확보한 상증폭 에 4세 라는 명칭

을 부여하여 인증 시험을 실시하 으며, 곧 신형 야간투시경

으로 공 할 정이다.

2. 열상장비 기술

온도 0도(0K = -273℃) 이상의 모든 물체는 물체 내부

의 원자 분자의 진동과 회 에 의해 자체 인 복사 에

지, 즉 자 를 방사하며 복사 이론에 따르면 에 지의 최

방출 장은 물체를 흑체(blackbody)로 가정하 을 때의 표

면의 온도 상태와 상 계를 갖는다. 특히 지구상에 존재

하는 거의 부분의 물체는 복사하는 자 의 최 에 지

장이 외선 역에 존재한다. 따라서 표 과 배경이 방출

하는 고유한 복사 에 지 차이(온도 차이)를 검출하여 기


그림 5. 열상장비의 백린 연막 투시 효과.

적외선 광학계 : 표적 에너지(온도) 차이를 적외선 검출기에 집속적외선 검출기 : 표적 에너지(온도) 차이를 전기적 신호로 변환주 사 장 치 : 검출기에 표적 영상정보를 순차적으로 전달신 호 처 리 기 : 미세 전기신호를 증폭, 디지털 처리하여 영상신호로 전환재 현 장 치 : 전기적 영상신호를 눈에 보이는 가시광선 화면으로 재현

표적

순간시계

적외선 광학계

수평 주사장치

수직 주사장치

검출기

신호처리기

영상재현장치

AMP MUXVIDEO

PROCESSOR

적외선 광학계 : 표적 에너지(온도) 차이를 적외선 검출기에 집속적외선 검출기 : 표적 에너지(온도) 차이를 전기적 신호로 변환주 사 장 치 : 검출기에 표적 영상정보를 순차적으로 전달신 호 처 리 기 : 미세 전기신호를 증폭, 디지털 처리하여 영상신호로 전환재 현 장 치 : 전기적 영상신호를 눈에 보이는 가시광선 화면으로 재현

표적

순간시계

적외선 광학계

수평 주사장치

수직 주사장치

검출기

신호처리기

영상재현장치

AMP MUXVIDEO

PROCESSOR

표적

순간시계

적외선 광학계

수평 주사장치

수직 주사장치

검출기

신호처리기

영상재현장치표적

순간시계

적외선 광학계

수평 주사장치

수직 주사장치

검출기

신호처리기

영상재현장치

AMP MUXVIDEO

PROCESSOR

그림 6. 열상장비의 기본 구성.

참고문헌

[5] J. M. Lloyd, Thermal Imaging Systems (Plenum Press, 1975).

[6] H.S. Kim, C.W. Kim, & S.M. Hong, Optical Engineering 41(7),

1661 (2002).

신호처리를 거친 뒤 상화하는 장비가 있을 수 있는데 이러

한 장비를 열상장비라 부른다. 열상장비는 주간뿐 아니라 빛

이 없는 야간에도 상 획득이 용이하고 가시 선 역

의 연막도 투시하는 등 장 이 많아 군사용 감시 장비로 많

이 활용되고 있지만 최근에는 송 선로의 이상 유무 단, 장 탱크의 장량 확인, 사스 환자의 체열 검색 등 산업계와

의료계의 이용도 증가하고 있다.그림 6은 단일 검출기를 사용한 열상장비의 기본 구성[5]을

나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 표 의 에 지 정보는

외선 학계과 주사장치를 통해 순서 로 외선 검출기에

집속되고, 외선 검출기는 에 지 정보를 기 신호차이로

변화시키며, 신호처리기에서 한 처리를 통해 으로 볼

수 있는 상으로 재 된다. 외선 검출소자의 경우는 통상

온에서 감응하여 미세한 에 지 차이를 검출하기 때문에

하 150～200℃ 정도로 검출소자를 냉각시키는 냉각장치와

함께 사용된다.실제 군사용 열상장비들은 단일 검출기 신 배열 검출기

를 이용하여 상을 획득한다. 원 외선 역(8∼12 μm)의

경우는 아직 240×4 는 480×6 정도의 2세 검출기 배

열이 보편 이다. 따라서 이 경우에는 수평방향으로 상

정보를 순차 으로 검출기에 모아주는 주사장치가 필요하게

된다. 를 들어 480×6 배열 검출기를 이용하는 경우, 1회

주사에 480선의 상이 순서 로 획득되는데 이때 수평 배

열 소자 6개는 신호성분을 첩시켜 신호 잡음비(SNR)를 개선하는 역할을 한다. 최근에는 320×240 는 640× 480 등 주간 CCD 카메라와 같이 주사장치가 필요 없는 2차원 배열의 3세 외선 검출기들이 개발되어 시스템을

단순화 할 수 있게 되었지만 아직 외선 역(3∼5 μm)이나 비냉각 방식의 열상센서만으로 제한되고 있다. 2차원

배열의 3세 열상센서는 양자우물 외선 검출기(QWIP: Quantum-Well Infrared Photodetector) 등의 개발로 냉각

방식의 8∼12 μm 원 외선 역까지 차 확장될 정이

다. 크기가 극히 작은 1,024×1,024 이상의 규모 배열

소자가 개발되고 있으며 다 장 역에서 동작하는 열상

장비 기술이 연구되고 있다. 상온에서 동작하여 냉각장치가

필요 없는 비냉각 열상장비들은 소형, 경량화가 용이하나

센서의 감도가 냉각형에 비해 미흡하여 아직 근거리 측에

만 활용되고 있다. 국내에서는 1990년 반에 방감시용 열상장비가 1세 직병렬 주사방식을 이용하여 개발되었다. 개발된 장비는

외국 도입장비보다 탐지거리가 증가되고 상선명도도 3배

이상 향상되어 야간감시능력을 폭 향상시켰으며 특히 1998년 12월, 야간에 남해 여수 앞바다로 침투하던 북한의 반잠

수정을 발견하여, 격침하는데 결정 기여를 한 바 있다.1990년 후반에는 외선 학기술과 디지털 상 신

호처리 기술들로 3세 열상모듈이 개발되어 주간 TV 카메

라, 상추 기, 안정화 장치 기술들과 함께 정찰용 무인항공

기에 용[6]되었으며 육, 해, 공군의 헬기에도 탑재되었다. 한


그림 7. 전방감시용 열상장비와 무인항공기에 탑재된 영상감지기.

1세 2, 3세1970년 1980년 1990년 2000년 2010년

∘병렬주사(미국)∘180×1 MCT∘25만 화소

∘2세 주사방식(미국,유럽)∘480×6, 288×4 MCT∘50만 화소

∘ 상 선명도(수평분해능) 우수∘직렬주사(미국,캐나다)∘1×14 MCT∘9만 화소 ∘3세 비주사방식(미국,유럽)

∘480×640, 240×320 MCT, InSb∘30만 화소

∘감도 상 안정도 우수

∘직병렬주사(유럽)∘11×4, 8 SPRITE∘25만 화소

- 상 분균일 잡음

- 아날로그 신호처리, 8비트 디지털신호처리

- 이 배율 외선 망원경

- 탐지/인지 거리 50% 이상, 선명도 2배 향상

- 검출기 on-chip 신호 처리

- 12∼16 비트 디지털 신호처리

- 다 배율/ 외선 학계

- 검출기 불균일 보정/ 상 개선

표 2. 적외선 검출기에 따른 열상장비의 발전.

참고문헌

[7] S.M. Hong, et al., SPIE, 5783, 932 (2005).

[8] S. B. Campana edi., Passive Electro-Optical systems(The Infrared

& Electro-Optical Systems Handbook Vol. 5), ERIM (1993).

편 주사방식의 원 외선 2세 열상장비도 불균일 보정 기술, 최 조비 제어기술 등 첨단 핵심기술이 확보되어 고선명

상을 갖는 차기 차의 조 경 등에 용[7] 이다.

3. 외선 탐색 추 기술

오늘날 sea-skimming 함 미사일이나 고도 침투 항공기

방어에 핵심 인 기술로 인식되고 있는 외선 탐색 추

(IRST: InfraRed Search & Track) 센서는 수동 인 방식으로

해상표 과 고도 공 표 을 360도 방 를 감시하고 추

하기 한 수단[8]으로 1970년 부터 유럽의 주요 국가들에서

개발되기 시작하 다. 랑스가 심으로 개발에 착수하여 주

요 함정의 자함 방어체계에 연동 운용하여 왔고 미국-캐나다, 국, 네덜란드, 이스라엘 등 주요 선진국의 IRST 개발은 기

무게, 비용, 오경보율 등의 문제 으로 어려움을 겪기도 했으나

최근 차 소형, 고성능화로 함정뿐 아니라 F-14, Eurofighter, F-22 등의 투기에도 탑재하거나 평원 지역의 주요 거 공

방어용 센서로 발 이다.IRST의 경우 열상센서와 같이 표 의 외선 에 지 정보를

이용하지만 한편으로는 이더와 같이 순차 으로 360도 방

를 탐색한다는 이 기존의 열상센서와는 다른 이며 통상

100개 정도의 표 을 동시에 추 , 리한다. IRST는 수동형

으로 고도 침투 항공기 함 유도탄의 탐지와 자방해

책 기능 무력화가 가능하고 에게 노출 험이 없으며, 수면

산란 등에 의해 표 탐지가 곤란한 이더와 상호 보완 역할을

하므로 함정 항공기의 방어능력 구축을 한 필수 인 센서


그림 10. 전방위 탐색 개념 및 함정 탑재(예).

영상재현장치

데이터 시스템인터페이스

자동표적지시/클러터 처리

클러터처리 및고속다중화

신호처리

수직검출소자

배열 및 필터

전단증폭 및냉각장치

복합비디오신호

제어신호자이로

안정화 및제어신호

표적정보슬립 링

(Slip Rings)

광학계

회전축조준선

수평선

그림 9. 적외선 탐색 및 추적센서 개념도.

그림 8. 2세대 원적외선 검출기 출력의 불균일 보정 결과.

참고문헌

[9] R. Anderson, et al., State-of-the-Art-Report, IRIA #246890-3-F,

ERIM (1994).

로 발 하고 있다. 오경보율의 최소화, 표 의 자동탐지와 동시

추 , 순 분석 결정 등의 알고리즘 개발이 핵심기술로

알려져 있다.

미래 자 학 상센서 기술 발 방향

1. 응 학 기술

지구의 기는 공기의 도와 온도 분포가 일정하지 않을

뿐 아니라 국부 으로 흐름이 불균일하기 때문에 시․공간

으로 요동하고 있으며, 지구 기를 투과하는 빛은 시․공간

요동에 의해 왜곡된다. 응 학(adaptive optics) 기술은

여러 가지 원인에 의하여 그러진 의 면을 실시간으로

보상해 주는 기술이다. 즉, 면의 그러진 모양을 실시간으

로 측정하고 그러진 모양과 크기가 같고 상이 반 가 되

도록 반사경의 표면에 변형을 주어서 최종 으로 원래 원

에서와 같은 면을 갖도록 보상해 주는 것이다. 따라서 응

학 기술에서 가장 핵심 인 것은 면 측정 기술과 형상

가변 거울의 제작 정 제어 기술이다.이러한 보상 개념은 이미 1953년 천문학자인 H. W.

Babcock이 처음으로 제안하 으며, 기의 요동에 의하여

그러진 면을 보상하기 한 연구가 지난 40여년 이상 꾸

히 진행되어 왔다. 최 의 능동형 학장치는 1973년 미국

고등기술원(ARPA: Advanced Research Projects Agency)의

지원으로 개발되었다. 1980년 이후에는 주로 미국의 국방

분야에서 집 으로 연구가 수행되었으며, 특히, 미 국방부

산하 연구기 의 연구결과가 1991년부터 일반에게 공개되면

서 응 학 기술 분야의 연구 활동이 격히 확 되었다. 응 학 기술을 이용할 경우, 기에 의하여 그러진 면

을 보상할 수 있기 때문에 망원경의 성능을 신 으로 향상

시킬 수 있다. 우주에서 측하는 것과 등한 수 으로 지

상 망원경을 이용하여 고정 우주 측이 가능해 짐에 따

라, 많은 천체 과학자들이 기보상기술 연구에 노력을 기울

이고 있다.

2. 분 상감지 기술

최근에 선진국에서 연구 개발 인 하나의 자 학


지구

분광소자

검출기

파장

광학계

Hyperspectral Image Cube

분광밴드

λ

정보융합/분석

λ

xy

λ

그림 13. 초분광 영상감지센서 개념도.

그림 12. 대구경 적응광학 망원경(예).

(a) 보상 상 (b) 보상 후 상

그림 11. 적응광학 망원경 영상.

상센서는 분 상감지센서(HSI: HyperSpectral Imager) 기술이다. 이 기술은 기존 상센서들이 가시 선이나 외선

등의 장 역에서 단일, 는 수개～10여개 수 으로 장

을 분리하여 상을 획득하던 방법에 비해 100～수백 개 수

(분 분해능 Δλ /λ= 0.01)으로 장 정보를 폭 증가시킴

으로서 표 식별력을 획기 으로 개선한 기술이다.[9] 이 센

서들은 먼 군용으로 항공기나 성에 탑재되어 표 식별

에 활용되어 왔으며, 민수용으로도 농작물의 경작 상태, 물

의 분포, 지구 환경 조사 등 원격 탐사 분야에 이용되고 있

다. 가시 선 역뿐 아니라 보다 다양한 기상상태에서 활

용이 가능하고 주야간 시간 제약을 받지 않는 외선 역으

로 차 확 되어가고 있다.그림 13의 분 상감지센서 개념도에서와 같이 획득되

는 상정보는 장 분산(dispersing) 소자를 이용하여 장

별로 분할되어 이를 검출기 배열 행(row) 방향으로 할당되

며 열(column) 방향은 공간 으로 분할되어 상정보를 동시

에 획득한다. 따라서 항공기나 성의 진행방향에 따라 분할

된 장의 상 데이터 정보가 입방체(cube) 형태의 개념으로

축 된다. 즉, x, y 방향의 공간 정보가 λ방향의 장으로

수백 개 분할되어 축 되는 것이다. 요즈음에는 소형 주사장

치를 이용하여 항공기와 같이 이동하지 않고도 장 정보를

포함한 3차원의 상정보를 획득할 수 있는 휴 용 장비들도

개발되고 있다.분 상감지센서의 경우, 특정 표 의 분 복사 휘도

(spectral radiance)를 기 필터로 두고 필터와 상물체의

분 복사 휘도와의 상 계를 구하여 상물체가 원하는

표 인지 아닌지를 식별하게 된다. 상 계를 규정하는 알고

리즘들은 이미 많이 개발되어 있다. 표 인 것들로는 필터

와 상물체의 분 복사 휘도를 각각 band 수만큼의 N차

벡터로 두고 두 벡터사이의 분 각도를 단순하게 계산하는

Spectral Angle 알고리즘, 필터와 상물체의 분 복사 휘

도 차이에 따른 단 차 면 을 구하여 이를 1에서 빼는

Root Sum Squared(RSS) Differential Area 알고리즘, 2개의 변수를 이용하여 필터링 정도를 조정할 수 있는 Spectral Ratio 알고리즘 등을 들 수 있다.

분 상처리기는 다수(일반 으로 수백 개)의 인

장 역에 걸쳐있는 데이터를 동시에 수집하는 것이며, 인

장 역 각각은 그 폭이 매우 미세하다. 이 분 상감

지센서의 주요 장 은 지표면 물질을 탐지, 식별, 평가하여

표 탐지뿐만 아니라 표 는 지형을 분류할 수 있을 정

도의 세 한 신호 분석능력까지 갖추고 있다는 이다. 분

상처리 연구는 자외선과 외선 장 역까지 확장되고

있으며 군사용으로 장 는 풀잎 등으로 가려진 표 을 탐

지해낼 수 있다. 한 이 센서는 나뭇잎의 상태가 죽었는지

는 죽어가고 있는지를 조사하여 군용장비의 통과 여부를

악할 수도 있고 풀과 동일한 록색의 지뢰를 탐지할 수도

있다.


가. 원 상 나. 필터링 상

다. 첩 상 라. 첩 반 상

그림 14. 초분광 영상감지 센서로 획득, 분석된 위장표적(예).

그림 15. 거리 정보가 포함된 레이저 영상 기술(예).

3. 3차원 이 상 기술

이 (LASER)라는 단어는 ‘복사 유도방출에 의한 증폭

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)’을 나타내는 머리 자이다. 이 는 1950년 에 발명되어

민수용뿐만 아니라 군사용에도 범 하게 사용되고 있다. 이 이 의 표 반사에 의한 신호강도와 거리정보를 이

용하여 능동형 상을 획득하는 이 상센서 기술은 거

리 정보를 포함한 3차원 상을 제공하며, 수백 m～1 km 정도의 거리에서 고도 비행체의 장애물인 송 탑이나 고압

선 등을 상화할 수 있어 조기 경보 상센서로도 연구되고

있다.군사용 항공기들은 자신들의 임무를 지원하기 해 일상

으로 1,000피트 이하의 고도로 비행하는 경우가 많다. 이게 고도로 비행할 경우, 비행경로 상에서의 장애물 출 은

항공기 승무원들의 안 에 이 될 수 있다. 조종사는

장애물을 피하기 해 육안에 의존해야만 하며 경우에 따라

서 지형 인식 경고 장치(TAWS: Terrain-Awareness Warning Systems)와 지상 근 경고 장치(GPWS: Ground-Proximity Warning Systems)를 사용하기도 한다. 그러나 이러한 장비

들이 불충분한 분해능 성능을 가지고 있을 경우, 충돌을

회피하는데 필요한 충분한 반응 시간을 제공하기 어렵거나

불가능할 수도 있다. 이러한 문제들은 야간이나 악천후에서의

비행 시에 더욱 심각해진다.이 는 진동수가 크기 때문에 높은 분해능으로 소형 물

체를 탐지하고 인식까지 할 수 있다. 따라서 이 는 항공기

가 고도로 비행할 때 장애 요인이 되는 송 선 등을 탐지

하고 소형 물체를 추 하는데 이상 으로 사용될 수 있다. 이 를 이용하여 빈틈없이 방을 주사하면서 조사하고, 선

등의 목표로부터의 반사된 신호를 수신하여 처리함으로써 운

항에 장해가 되는 물체를 탐지한다. 이 에 의한 선의 탐

지능력은 재 구경 100 mm 후의 학계를 이용하여 첨

두 출력 10 kW 정도의 이 로 수 100 m 앞의 직경 10 mm 정도의 선을 탐지할 수 있는 정도이다.

맺음말

자 학 상센서들은 여러 물리 인 법칙과 원리를 활용

하여 으로 볼 수 있는 정보를 제공한다. 를 들어 미약한

빛을 증폭한다든지 모든 물체가 방출하는 에 지의 차이를

검출하여 상화 한다든지 는 이 를 1 kHz 이상의 고

속으로 발생시켜 거리정보를 포함한 상을 제공한다든지 하

는 것들이다. 이러한 상 정보들은 나 다른 매체를 통한

정보들에 비해 비교 정 하고 정확하며 실시간 제공이 가

능하여 24시간 장화 하고 있는 에서 그 필요성이

증하게 되었고 국방의 첨단 핵심기술로 매우 빠르게 발 하

고 있다.한편 자 학 상센서 기술을 포함한 최근의 국방기술

들은 민수 분야로의 활용성이 차 커짐과 동시에, 민수 분

야에서 활발히 발 되고 있는 여러 기술들의 목도 필요하

여 기 연구로부터 개발에 이르기까지 상호 활용성을 높여

나가는 방식의 연구 개발이 필요하다. 재에도 많은 연구

와 개발이 산학연 력체제로 이루어지고 있지만 더욱 많은

직 인 연계가 필요할 것으로 단된다. 본 고에서는 군

사 활용이 비교 많은 몇몇 자 학 상센서 기술들과

발 방향을 소개하 다. 자 학 상센서 기술 분야에서

앞으로 국가과학기술과 국방과학기술이 총체 으로 상호 연

계된, 보다 효율 인 연구 개발 력이 이루어지기를 기

한다.

전자광학 영상센서 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/14762096662.pdf · 수 있는 첨단 무기체계와 핵심기술을 확보하고 있는 편에서 전쟁의

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