무기의 탄생; 전방감시용 열영상장비

칠흑같이 어두운 한밤중 北 반 잠수정 딱 걸렸네

<17> 전방감시용 열영상장비(상)

2015. 05. 26   17:52 입력 | 2015. 05. 26   17:58 수정

 

 

전방감시용 열영상장비는

　열상관측장비(TOD: Thermal Observation Device)로도 불리는 전방감시용 열영상장비 TAS-970K는 전방, 해안 및 강안 지역의 야간 경계력 보강을 위한 감시장비다.

　물체에서 방출되는 적외선 영역의 에너지 차이, 즉 온도 차이를 검출해 주·야간 실시간으로 영상 정보를 제공한다.

　야간 전투를 위해 처음 발명된 광기술은 카본 탐조등이다. 이것은 1801년 험프리 데이비가 발견한 전기적 아크를 광원으로 이용한 것이며 이후 많은 탐조등이 1·2차 세계대전에 활용됐다. 또 2차 대전 직전에는 독일이 근적외선을 가시광선으로 바꿔주는 영상변환관 제작에 성공함으로써 눈에 보이지 않는 근적외선 광원을 이용한 영상변환장비가 등장하기도 했다.

　그러나 탐조등은 전장을 조명해 아군 작전에 유리하게 활용할 수 있지만 적군에게 아군의 위치가 쉽게 노출되는 단점이 있어 곧 자취를 감췄다.

　이후 1960년대부터 가시광선이나 근적외선 광원이 필요 없는 수동형 광증폭 야시장비가 개발돼 월남전 이후 현재까지 주로 개인 병사용으로 많이 활용되고 있다.

　물체가 방출하는 적외선 파장 대역의 에너지 차이를 이용해 주·야간 영상 획득이 가능한 열영상장비는 1960년대 이후 미국을 중심으로 본격적으로 개발하기 시작해 군사용으로 지속적인 발전을 거듭하고 있다.

　물체와 배경의 온도 차이를 검출해 영상화하기 때문에 주간뿐 아니라 야간에도 사용이 가능하고 장거리 고해상도의 동영상 또는 정지영상 정보 제공이 가능해 최근 야간 관측 장비의 주류를 이룬다.

　다만 물체와 배경의 에너지 차이가 대기를 통해 전달되는 과정에서 감쇄되기 때문에 대기 투과 특성이나 기상 상태에 따라 탐지거리가 제한되는 단점이 있다.

개발 경과

　국방과학연구소(ADD) 연구팀은 1990년부터 1992년까지 응용연구를 통해 열영상장비의 핵심기술을 독자적으로 확보했고 1993년부터 1996년 6월까지 수행된 시험개발 단계에서 체계개발 수준의 TOD 장비를 개발했다.

　1990년대 초반 국내 열영상장비 관련 기술은 매우 미약했다. 그래서 사업은 1990년부터 1993년까지 4년 동안 응용연구를 통해 실용화 가능성을 확인하는 것으로 진행됐다. 하지만 연구팀은 불과 3년 만에 획기적인 기술성과를 창출했다.

　응용연구의 결과로 연구팀은 1993년 ADD가 엄격한 심사를 거쳐 세계 최고의 독자 기술에만 수여하는 ‘국방과학상 금상’을 수상했다.

　성과는 컸지만 이를 기반으로 당초 계획이던 1997년까지 TAS-970K를 전력화하는 것은 가능성이 전혀 없어 보였다.

　그럼에도 국방부와 합참, 육군 수뇌부는 개발을 독촉했다. 1993년 시험개발을 조기 착수시킨 국방부는 1995년 7월 사업추진 현안을 장관에게 보고하면서 시험개발 시제품에 대한 운용시험을 합참 조정·통제 하에 육군이 주관 수행하고 그 결과에 따라 무기체계로 채택할 수 있도록 건의해 승인을 받았다. 이는 당시의 무기체계 개발에서는 있을 수 없는 파격적인 조치였다.

　육군은 시험평가가 한창이던 1995년 10월부터 긴요전력 조기확보 계획을 수립해 원래 최초 전력화 시기였던 1997년보다 1년이나 빠른 1996년까지 계획보다 3배 많은 물량을 조기 전력화하도록 연구팀을 압박했다.

　이에 따라 육군교육사는 전방 지역 현지에서 시험평가 보고서를 모두 작성해 동절기 시험이 완료된 1996년 1월 중순 육군본부에 시험평가 결과를 보고했고 육군본부는 2월 초순에 국방부와 합참에 군 운용시험 결과를 보고했다.

　이어 합참은 3월 초순 TAS-970K를 합동무기체계로 채택했고, 국방부도 의뢰한 지 두 달도 채 안 되는 5월 초순 이 장비에 대한 국방 규격 심의를 완료했다.

　모든 과정이 일사천리로 진행된 것이었다. 국방부·합참·소요군·연구팀의 모든 담당자들이 혼연일체가 돼 합심한 결과였다.

　이 결과 연구팀은 1997년 최고 등급의 연구개발장려금(특1)을 국방부 장관으로부터 받았다. 과정은 험난했지만 그 열매는 달콤했던 것이다.

　이런 노력으로 전방은 물론 해안까지 TOD 장비가 조기 배치됐고 1998년 12월 달빛 하나 없는 그믐밤에 남해안 여수 앞바다로 침투하던 북한의 반잠수정을 육군의 해안 소초 경계병이 국내 개발 TOD 장비로 최초 탐지, 발견해 해군과 합동작전을 통해 격침하는 데 결정적 기여를 하게 됐다.

　

TAS-970K 개발 효과

　국내 개발된 TAS-970K는 직병렬 주사 방식을 사용하는 1세대 열영상장비다.

　현재는 원적외선 영역의 2세대 열영상장비를 넘어 중적외선 영역의 3세대 열영상장비가 주류를 이루고 있지만 20년 전 전력화된 TAS-970K가 한국군의 야간 전투력 증강과 열영상장비 기술 개발의 효시가 된 것은 분명하다.

　ADD는 TAS-970K를 바탕으로 첨단 기술들을 계속 발전시켜 여러 무기체계로 파급시켰다.

　원적외선 영역의 2세대 열영상기술로 K2 흑표 전차의 포수조준경과 전차장조준경을 개발했고 중적외선 3세대 열영상기술로는 군단무인기 영상감지기용 열상모듈, 헬기용 전방관측 적외선장비(FLIR), 함정용 전자광학 추적장치(EOTS)를 개발했다.

　특히 함정용 EOTS 장비의 40배율 고해상 열영상기술은 시제업체가 차기 TOD 장비인 TAS-815K 개발에 활용하기도 했다.

　ADD는 이러한 열영상기술을 광역, 장거리, 고해상 및 위장 표적 탐지 등 신개념으로 여러 첨단 무기체계에 적용하기 위해 더욱 발전시키고 있다.

 

 

  국방과학기술지식대백과사전- 열영상장비(Thermal Imaging System; Thermal Observation Device)

 

열영상관측장비 또는 전방관측 적외선장비라고도 하며, 빛의 유무에 관계없이 물체가 자체적으로 발산하는 복사에너지(온도) 차이를 감지해 영상으로 재현하는 장비다. 열영상장비는 정찰위성, 유·무인 항공기, 지상 정찰 체계에 이르기까지 각 분야에서 주야간 감시 장비로 활용되고 있다. 항공기·함정이나 지상 전투차량 등에 탑재, 주요 사격통제장비의 센서로도 이용된다.

夜~ 밤에도 적외선 감지해외장비 보다 화질 ‘월등’

<18> 전방감시용 열영상장비 TAS-970 (하)

2015. 06. 02   17:53 입력

기사사진과 설명

ADD가 국내 최초로 개발한TOD TAS-970K와 이를 기반으로 개량한 신형 TODTAS-815K(오른쪽).자료 사진　 TAS-970K 개발 당시 촬영한 해외 도입 장비 영상(위)과국내 개발 장비 영상. 영상의 선명도 차이가 분명하다.ADD 제공

 

 

개발 배경·과정

　적보다 먼저 보고 먼저 결심해 먼저 타격해야 하는 현대 전장 환경에서 적에게 노출되지 않으면서 감시하고 사격 통제 할 수 있는 야간작전능력은 전투에서 승패를 결정 짓는 중요한 요소다.

　특히 한반도처럼 산악지형과 산림 등으로 관측이 제한되는 지역에서 야간작전 수행을 위한 감시 능력 확보는 전투 수행의 가장 중요한 요소 중 하나라고 해도 과언이 아니다.

　우리 군은 1970~80년대 당시 전투수칙에 ‘나는 야간전투의 승리자가 되겠다’라는 구호를 넣었을 정도로 야간전투력 증강에 관심을 쏟았지만 실제 야간작전을 위한 감시정찰 자산은 거의 가지고 있지 않았다.

　베트남전 참전 이후 극소량의 미제 1세대 광증폭 야시장비가 들어왔고 이후 1·2세대 광증폭형 야간관측장비를 국방과학연구소(ADD)가 1980년대 초반에 모방 개발, 생산해 보급하기 시작했지만 탐지거리가 제한되고 달빛 유무, 기상상태에 영향을 많이 받았으며, 대부분 경계병이 혼자서 장비에 눈을 대고 관측하는 방식이어서 체계적인 감시정찰은 실제로 매우 어려운 실정이었다.

　합참은 1980년대 후반부터 당시 선진국에서 운용하던 열영상장비를 도입해 전방과 해안의 야간감시에 활용하려는 계획을 세웠고 육군은 이에 해당하는 선진국의 대상 장비를 평가해 1991년 후반기에 해외 도입 TOD(AN/TAS-502) 장비를 전방에 전력화했다.



TOD 장비의 효용성 입증

　전방 지역을 야간에 환하게 들여다 볼 수 있는 제대로 된 감시자산을 처음 가지게 된 것이어서 밤새도록 눈에 불을 켜고 신나게 경계를 할 수 있었다.

　하지만 배치된 지 불과 석 달도 지나지 않아 장비의 절반 정도가 작동이 중지됐다. 당시 TOD 장비의 고장 간 평균 시간(MTBF)이 1000시간 정도였는데 매일 야간에 10시간 이상씩 계속 운용한 문제도 있었고, 전방지역의 불안정한 전력 사정도 있었으며, 정비 유지에 취약한 해외 도입 장비 자체의 구조적 특성도 문제가 됐다.

　그럼에도 도입한 지 1년이 채 되지 않은 1992년 5월, 우리 군은 전방지역에서 군사분계선을 넘어오는 무장공비를 해외 도입 TOD 장비로 한밤중에 탐지해 새벽에 3명 모두를 사살하는 큰 전과를 세웠다. TOD 장비의 효용성이 입증되는 순간이었다.

　그러자 해외 도입 TOD 장비의 정비 유지 문제는 어느 새 수면 아래로 사라져 버리고 TOD 장비에 대한 추가 소요가 제기됐다. 국방부와 육군은 해외 제작사와 추가 도입을 위한 협상을 했고 제작사는 여러 이유를 들어 추가 도입 예정 가격을 기존의 2배로 올렸다. 더불어 정비 유지 부품의 가격도 2~4배씩 인상했다.

　상황이 이렇게 되자 국방부와 육군은 다른 해결책을 찾아야만 했다.

　한편 미국은 1960년대부터 열영상장비에 대한 연구를 본격화해 1970년대 후반 이후 이를 각군의 무기체계로 전력화하기 시작했다. 미국의 기술은 병렬 주사 방식으로 검출기를 세로로 배열해 거울을 이용해 2차원 영상을 획득하는데 영상의 불균일이 심한 단점이 있었다. 캐나다는 미국의 또 다른 기술인 직렬 주사 방식을 이용했는데 영상이 균일한 장점은 있었으나 주사 속도가 빨라 구조적으로 취약한 단점이 있었다.

　이런 직렬과 병렬 주사 방식의 단점을 해소한 직병렬 주사 방식이 영국과 프랑스가 발전시킨 당시의 첨단 기술이었다. 당시 이 기술에 대해서는 구체적인 내용은 물론 간략한 자료도 전혀 얻을 수 없었다. 뒤늦게 독자기술 확보에 뛰어든 ADD는 당연히 세계 최고의 직병렬 주사 방식 기술 획득을 목표로 할 수밖에 없었지만 현실은 만만치 않았다.

　시설은 물론 개발인력, 예산 등 모든 것이 부족했다. 불과 2~3명이 실험실에서 주사장치와 신호처리기를 설계와 동시에 직접 제작해야만 했다. 1990년 2000만 원 남짓으로 자체 수행한 시작품은 기초연구 수준도 안 되는 것이었다.

　1991년부터는 개정된 무기체계 획득관리 규정에 따라 보다 체계적으로 응용연구를 수행할 수 있었고 예산도 조금 늘어 시제업체를 활용할 수 있는 여력이 생겼다.



월등한 열영상 화질… TOD 장비 국내 개발키로

　선진국의 수십 분의 1도 안 되는 열악한 연구 환경에서 기댈 수 있는 것은 서로의 열정에 대한 신뢰와 시간 투자뿐이었다. 그 결과로 1991년부터 1992년 초까지 ADD가 설계하고 시제업체에서 조각조각 제작한 응용연구 시제가 만들어졌다.

　마침내 ADD는 1992년 육군정보학교의 협조로 독자 개발한 응용연구 시제와 해외 도입 TOD 장비의 열영상을 비교시연했다.

　ADD의 응용연구 시제의 겉모습은 이리저리 납땜되고 여러 조각으로 연결돼 조악하기 짝이 없었지만 열영상의 화질만큼은 해외 도입 장비보다 월등히 우수했다.

　이 소식이 추가 도입 장비 가격 상승으로 고민 중이던 국방부에 전해졌고 국방부는 1993년 7월 TOD 장비의 획득 방법을 해외 도입에서 국내 연구개발로 변경했다.

　ADD 관계자는 “만약 당시 TOD 장비의 해외 도입이 지속적으로 추진됐다면 ADD의 연구결과는 마땅한 적용 무기체계를 찾지 못하고 사장될 수도 있었다”며 “서로의 타이밍이 참으로 절묘하게 맞아 떨어졌다”고 말했다.

국방과학기술지식대백과사전- 영상 장비 기술(Thermal imaging equipment technology) 

 

 

   열영상장비 기술은 빛의 유무에 관계없이 물체가 자체적으로 발산하는 복사 에너지 차이를 감지해 영상으로 재현하는 장비에 관한 기술로서, 상황에 따라 표적 획득 및 조준을 하기 위해 개발됐다.

　직접 영상은 순수한 광학계를 통해 직접 보는 실제 영상을 의미하고 간접 영상은 영상 센서를 사용해 영상을 전기적인 신호로 바꿔 전시기(display)를 통해 보는 것을 의미한다. 주간에는 주간 조준 광학계를 이용해 직접 영상 관측이 가능하고, 야간에는 영상 증폭관을 이용한 간접 영상 관측이 가능하다.

　야간 탐지를 위해서는 열상 검출기나 영상 증폭관을 이용하고 있다. 열상 검출기는 물체에서 발산되는 적외선을 감지해 영상 신호로 바꿔 전시기에 전시하며, 영상 증폭관은 미세한 빛을 수만 배 증폭시켜 직접 광학적으로 운용자가 볼 수 있도록 한다.

　열상 검출기를 이용한 시스템은 검출기의 감도가 높을수록 그리고 픽셀(pixel)의 크기가 작을수록, 같은 성능의 장비를 더 가볍게 설계할 수 있다.

　영상 증폭관을 이용한 시스템은 증폭관 자체의 감도와 광학계의 크기에 따라 탐지 성능이 결정된다.

　어느 방식을 사용하더라도 검출기나 영상 증폭관 자체의 감도와 신호 처리 회로의 소형화·경량화·저전력화가 요구되며, 최적화된 광학계 설계가 수반돼야 한다.

　야간 탐지 거리는 검출기의 성능에 크게 좌우된다.