열화상 기술은 안개나 비도 통과할 수 있을까요?

안개와 비 등의 기상 조건이 적외선 카메라 성능에 미치는 영향

열화상 카메라는 칠흑 같은 암흑 속에서도 주변 환경과 목표 대상을 정확히 인식할 수 있기 때문에 빛이 없어도 선명하고 생생한 이미지를 제공합니다. 이 같은 성능 덕분에 적외선 카메라는 야간에 다양한 용도로 활용이 가능합니다.

열화상 카메라를 야간에 활용하고자 하는 소비자들이 가장 자주 묻는 동시에 가장 중요한 질문은 바로, “열화상 카메라로 얼마나 멀리 볼 수 있을까?”라는 것입니다. 측정 범위, 즉 열화상 카메라로 “볼” 수 있는 거리는 여러 카메라 변수에 따라 크게 달라집니다.

• 어떤 렌즈가 사용되었는가?
• 카메라에 장착된 디텍터는 냉각식인가 비냉각식인가?
• 감도 성능은 어떤 수준인가?
• 감지하려는 사물의 크기는 얼마인가?
• 목표 대상과 주변 배경의 온도는 얼마인가?

“얼마나 멀리 볼 수 있을까”와 관련된 질문에 대한 답변은 이상적인 기후 조건을 기준으로 제공되는 경우가 많은데, 기후 조건이 이상적이지 않은 경우, 즉 안개, 비, 또는 기타 기상 조건에서 측정 범위는 어떻게 될까요?

열화상 카메라는 옅은 안개가 끼거나, 이슬비, 눈이 내릴 때, 완전히 어두운 곳에서도 주변을 측정할 수 있지만, 명확하게 볼 수 있는 거리는 대기 조건의 영향을 받습니다.

적외선 투과율

기후 조건이 좋은 날에도 기본적으로 대기가 빛의 파장을 흡수하기 때문에 적외선 카메라로 측정할 수 있는 거리에 제약이 있습니다. 열화상 카메라는 모든 사물이 방출하는 열 복사 에너지의 차이를 기반으로 이미지를 생성합니다. 그러나 적외선 신호는 카메라가 목표 대상에서 멀어질수록 손실이 커질 가능성이 높습니다.

따라서 열화상 카메라를 선택할 때에는 감쇠 계수(입사 방사선 대비 차폐 소재를 통해 전송되는 복사 에너지의 비율)도 고려해야 합니다. 습한 공기는 적외선 복사 시, 일종의 “방패” 역할을 합니다. 여름철의 대기는 일반적으로 습도가 높아, 겨울철에 비해 더 높은 감쇠도를 보입니다. 즉, 일반적으로 하늘이 맑고 날씨가 좋다면, 여름보다 겨울에 열화상 카메라로 더 멀리 볼 수 있다는 것을 의미합니다.

습한 공기 이외에도 적외선이 손실되는 요인은 다양한데, 열화상 카메라의 측정 범위에 훨씬 큰 악영향을 끼치는 기후 조건은 따로 있습니다.

안개와 비는 물방울이 빛을 산란시키기 때문에 열화상 기기의 측정 범위에 큰 제약으로 작용할 수 있습니다. 특히, 물방울의 밀도가 높을수록 적외선 신호의 손실은 더 커지기 때문에 측정 시에 주의가 필요합니다. 열화상 카메라 사용자들은 비나 안개로 인해 열 적외선 카메라의 측정 범위 성능이 얼마나 제한되는지, 그에 비해 비나 안개가 실화상 카메라 촬영 범위에 비치는 영향은 얼마나 되는지 묻는 경우가 많습니다.

안개의 유형

안개는 지표면 또는 지표면에서 얼마 떨어지지 않은 대기 중에 떠다니는 미세한 물방울이 육안으로도 확인되는 상태를 지칭합니다. 공기가 수증기로 포화된 상태에 이르면, 상대 습도가 100%에 가깝다는 것을 뜻합니다. 이러한 수증기는 종종 연기 또는 먼지 입자 형태의 응축핵이 충분히 존재할 때 안개가 형성되도록 합니다.

안개에도 다양한 종류가 있습니다. 이류 안개는 온도 및/또는 습도가 다른 두 개의 기단이 혼합되어 형성되는 반면, 복사 안개는 이슬점에 가까운 온도에서 공기의 복사 냉각 과정에 형성됩니다.

일부 무봉은 물방울이 응축해 커진 것이기 때문에 다른 안개에 비해 밀도가 높은 경우도 있습니다. 안개 상태일 때 물방울은 더욱 많은 물을 흡수하여, 입자 크기가 상당히 커질 수 있습니다. 가시광선 범위에 비해 적외선 파장대에서 산란이 적은 지의 여부는 물방울의 크기 분포에 따라 다릅니다.

안개를 분류하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 자주 사용되는 것은 국제 민간 항공기구(ICAO)에서 사용하는 분류 체계로, 해당 체계에서 안개는 네 가지 유형으로 분류됩니다:

Category I: 가시 거리 1220 미터
Category II: 가시 거리 610 미터
Category IIIa: 가시 거리 305 미터
Category IIIc: 가시 거리 92 미터

안개가 자욱한 공기 중에서 가시성이 저하되는 이유는 안개 입자에 의한 빛의 자연 또는 인공적인 흡수 및 산란 현상 때문입니다. 이때, 흡수 및 산란되는 빛의 양은 에어로졸이라고도 하는 안개 입자의 미세 물리적 구조에 따라 달라집니다.

중간 해상도 전파 모델 (MODTRAN)

MODTRAN은 미국 공군에서 개발하고 지원하는 대기 복사 전달 코드 체계로, 다양한 대기 조건에서 대기를 모델링합니다. 이 MODTRAN을 활용하면, 광범위한 파장 및 스펙트럼 해상도에 대해 경로 복사, 경로 전달, 대기 복사, 표면에 도달하는 일사량 및 월사량을 포함한 대기 속성을 예측할 수 있습니다.

또한, 넓은 파장 대역에서 투과율과 방사율을 계산할 수 있게 도와주기도 합니다. 특히, 지리적 위도와 계절에 따라 여섯 가지 기후 모델을 제공하는데, 각 기후에 나타날 수 있는 여섯 가지 에어로졸 유형까지 정의되어 있습니다. 단, 각 기후 모델은 서로 다른 에어로졸 유형과도 조합이 가능합니다.

열화상 카메라로 안개나 비를 통해 얼마나 멀리 볼 수 있는지는 카메라를 사용하는 기후 조건과 특정 기상에 존재하는 에어로졸 유형에 따라 달라집니다.

MODTRAN모델 입력 데이타

MODTRAN 모델에 입력 가능한 데이터는 상기 언급한 특정 기후 조건과 에어로졸 뿐 아니라, ICAO 범주에 따른 가시성, 대기 경로의 형상 및 길이, 표적 및 배경의 온도 및 방사율이 있습니다.

일반적으로 서로 다른 에어로졸을 비교하면 해상에서는 교외 및 도심 지역의 에어로졸보다 평균적으로 입자 반지름이 더 크기 때문에 기후 모델과 관계없이 항상 가장 낮은 감지 범위를 나타냅니다. 교외 및 도심 지역의 에어로졸은 적외선 대역에서 눈에 띄게 더 넓은 감지 범위를 만들어 냅니다.

즉, 기후 유형에 관계없이 육지보다 안개가 자욱한 해상에서 시야가 제약된다는 것을 의미합니다.

열화상카메라 및 목표대상

대기의 종류와 두께가 안개를 통해 얼마나 멀리 볼 수 있는지에 영향을 미치는 것처럼, 적외선 카메라의 종류와 카메라가 작동하는 파장 대역도 측정 범위에 중요한 영향을 미칩니다.

열화상 카메라에는 3.0-5μm(중파장 적외선)와 8-12μm(장파장 적외선)의 중요한 파장대가 있습니다. 5-8μm 대역은 수증기에 의해 대기의 빛 흡수가 많이 차단되기 때문에 이미징에 거의 사용되지 않습니다.

                               전자기 파장 대역

비냉각 센서가 장착되어 있는 열화상 카메라는 7~14 미크론 파장의 장파장 적외선(LWIR) 대역에서 작동하도록 설계되어 있으며, 지상 목표물은 대부분의 적외선 에너지를 방출하고 비냉각적 감지에 용이합니다.

이에 반해 냉각식 디텍터(센서가 극저온으로 냉각되는 장치)가 탑재되어 있는 열화상 카메라는 화면에 잡힌 작은 온도 차이에 가장 민감하며, 일반적으로 중파장 적외선 대역(MWIR) 또는 장파장 적외선 대역(LWIR)에서 이미징을 생성하도록 설계되어 있습니다.

중파장 적외선과 장파장 적외선 대역에서의 파장 대역 전파는 각기 다르기 때문에, 냉각식 중파장 적외선 디텍터와 비교하여 비냉각식 장파장 적외선 디텍터가 장착된 열화상 카메라로 안개를 통해 볼 수 있는 방법에 차이가 있습니다.

대기 전파 모델 결과 - 안개

다양한 범위에 대한 대기의 분광 투과를 활용하면, 다양한 대기 환경에서 가시성을 간단하게 정성적으로 비교할 수 있습니다.

그림 1은 중위도 지역의 여름 및 교외 지역의 에어로졸에서 유형 I의 안개에 대한 분광 투과를 보여줍니다. 가시광선 파장대(0.4-0.75 미크론)에서의 투과율은 두 가지 적외선 대역(3-5 미크론 및 8-12 미크론)보다 훨씬 낮습니다. 이러한 조건에서 열화상 카메라는 장파 또는 중파장 적외선 디텍터 사용 여부에 관계없이 육안보다 훨씬 더 멀리 있는 목표물을 볼 수 있습니다.

그림 1 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

모델에서 방사 안개가 있는 유형 II의 조건으로 가시성을 줄이면, 장파장 적외선(8-12 미크론) 대역만 가시 대역보다 우수하고 중파장 적외선 카메라는 육안 상태보다 측정 범위가 훨씬 짧습니다. (그림 2)

그림 2 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

마지막으로, 가시성이 300m 미만인 유형 III의 조건(그림 3)에서는 열화상 카메라로 볼 수 있는 거리와 육안으로 볼 수 있는 거리 사이에 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있습니다.

그림 3 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

전파만으로 사물을 얼마나 먼 거리에서, 무엇을 볼 수 있는지 완전히 결정되는 것은 아니지만, 실화상 전파와 적외선 전파의 특성을 비교하면 대기가 특정 파장대를 선호 또는 차별하는지를 알 수 있습니다.

감지 범위

안개나 비를 통해 얼마나 멀리 볼 수 있는지 예측하기 위해서는 대기 조건 뿐 아니라, 목표 대상의 크기와 배경과의 온도 차이도 고려해야 합니다. 또한, 광학 장치와 디텍터의 제한된 공간 해상도와 디텍터 및 신호 처리시에 발생하는 노이즈는 목표 대상의 배경에 대한 대비 광도를 감소시키는 역할을 합니다. 적외선 센서의 전파 기능이 대비 복사도에 미치는 영향은 TACOM 열화상 모델(TTIM)로 시뮬레이션이 가능한데, 해당 모델은 초점면 배열을 사용하여 다양한 유형의 적외선 센서를 시뮬레이션합니다.

아래 표는 대상과 배경 사이의 온도 차이가 10°C이고 감지의 임계 값이 0.15인 경우, 안개를 통한 감지 범위(km)를 육안(가시적), 중파장 적외선 카메라 및 장파장 적외선 카메라와 비교한 내용을 정리한 것입니다.

유형 I의 경우, 적외선 감지 범위는 MODTRAN에 지정되어 있는 바와 같이, 서로 다른 기후 및 에어로졸 내의 변동을 나타내는 범위 형태로 제공됩니다. 장파장 적외선 카메라를 사용할 때, 최상의 조건은 절대 습도가 낮은 겨울과 교외의 에어로졸 형태입니다. 반면, 중파장 적외선 대역에서의 감지 범위는 여름이나 열대 기후에서 흔한 고온 조건일 때 가장 좋습니다.

적외선의 모든 감지 범위는 유형 I인 안개의 실화상 감지 범위보다 훨씬 낫습니다. 유형 II인 안개의 경우에는 장파장 적외선 디텍터가 장착된 열화상 카메라를 사용했을 때, 실화상 디텍터에 비해 결과가 네 배 가량 더 좋습니다.

유형 IIIa 및 유형 IIIc인 안개에서는 대기가 제한 요인으로 작용하기 때문에 열화상 카메라와 육안으로 볼 수 있는 가시 거리는 차이가 거의 없습니다. 방사선은 모든 스펙트럼 대역(가시, 중파장 적외선, 장파장 적외선)에서 짙은 안개를 통과하지 못합니다.

결론 및 결과

상기 언급된 모델에 따르면, 열 적외선 대역은 유형 I 및 유형 II 안개의 가시광선 대역에 비해 우수한 범위 성능을 제공합니다. 따라서 열화상 적외선 카메라는 사용자가 이러한 유형의 안개를 통해 목표 대상을 올바르게 이미징하는데 매우 유용하게 활용될 수 있습니다. 아울러, 위의 모델에 따르면 열화상 카메라는 비행기 착륙 보조 장치 또는 운송 및 자동차 산업을 위한 운전자 시야 향상 시스템으로 활용할 수 있는 가능성이 높습니다.

또한 장파장 적외선 기기는 지금까지 진행된 모든 관련 연구에서 중파장 적외선 대역에 비해 더 높은 수준으로 안개를 침투할 수 있는 것으로 분석되었습니다. 유형 II에 해당하는 안개의 경우, 장파장 적외선 스펙트럼 대역은 중파장 적외선 대역에 비해 약 네 배 우수한 범위 성능을 제공합니다. 그러나 주어진 용도에 가장 적합한 시스템에 도달하려면, 센서의 열 감도와 목표 대상의 온도 특성을 고려해야 합니다.

중파장 적외선의 복사는 대기 오염 물질과 오염 가스에 의해 악영향을 받는 반면(대기 흡수 증가 및/또는 경로 내 복사 수준 증가 모두 목표 이미지 대비를 감소시킴), 장파장 적외선은 중파장 적외선에 비해 훨씬 영향을 덜 받습니다.

비는 목표 대상의 대비도를 크게 감소시킬 수 있으며(대기의 산란 증가와 일반적인 차광 효과로 인해), 장파장 적외선 및 중파장 적외선은 비가 내릴 때 유사한 기능을 발휘합니다. 비로 인한 적외선 시스템의 성능 저하는 측정 범위에 매우 민감하여, 100~500m 범위에서 급격하게 감소합니다.

"열화상 카메라로 얼마나 멀리 볼 수 있을까?"라는 질문에 대한 대답은 결코 간단한 문제가 아닙니다. 이와 마찬가지로 안개가 낀 상태나 비가 오는 조건에서 측정 범위가 얼마나 짧아지는지도 단언하기가 매우 어렵습니다. 이는 대기 조건과 안개 유형에 따라 달라질 뿐만 아니라, 사용되는 적외선 카메라와 목표 대상의 속성(크기, 대상 및 배경의 온도 차이 등)에 따라 달라지는 문제입니다.

위 사례 작성과 관련하여 의견과 조언을 주신 Dr. Austin Richards 박사님과 Mr. T. Hoelter 님께 감사드립니다.

참조: K. Beier, H. Gemperlein, Simulation of infrared detection range at fog conditions for Enhanced Vision Systems in civil aviation in Aerospace Science and Technology 8 (2004) 63 - 71