수중 탐지 기술 발전 추세
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대잠수함전은 탐지센서 성능과 효과적인 공격무기 체계에 의존한다. 잠수함 탐지수단은 음향, 자기, 전자파, 광학이나 현재까지는 수중음파 탐지기인 소나가 가장 효과적인 탐지체계로 운용되고 있다.
조용한 심해인 대양에서 비교적 시끄러운 원자력잠수함을 탐지하던 냉전시대에는 잠수함 방사소음을 탐지하는 수동형 소나가 주력 소나로 운용되었다. 냉전시대 이후에는 제3국들이 능력이 강화된 재래식 잠수함을 보유하면서 대잠수함전의 작전해역이 천해로 이동하고 있다.
대잠전 상황의 변화와 더불어 잠수함 정숙화 기술의 발전으로 수동형 소나의 잠수함 탐지거리는 수백 km에서 수 km로 감소하는 추세이다. 미래 대잠수함 작전무대인 대륙붕 연안 해역은 해상교통량이 과밀하여 수중배경소음이 비교적 높아 수동형 소나의 잠수함 탐지성능은 매우 제한적이다. 이러한 대잠전 환경에서 잠수함을 효과적으로 탐지하기 위해 능동형 소나의 중요성이 점차 강조되고 있다.
소나의 탐지성능은 전술적 소나 성능으로 표현된다. 전술적 소나성능은 소나 장비성능과 음파전달특성이 복합된 소나 탐지성능이다. 특히 전술적 소나 성능은 음파전달 매질인 해양의 음향특성에 매우 민감하게 영향을 받는다. 동일한 소나장비가 해양특성의 변화에 의해 탐지거리가 약 10배 정도까지 차이가 날 수도 있다.
특히 동해는 대륙사면의 복잡한 해저지형과 해류의 영향으로 음파탐지 환경변화가 매우 심한 해역이므로 세계적으로 대잠수함 작전 훈련 및 잠수함 탐지장비에 대한 세계적인 성능시험 무대가 되고 있다. 세계적인 해양강국인 영국해군과 연안해군인 아르헨티나가 1982년에 치룬 Falkland 전쟁에서 적 해상전력 차단 수단으로서 원자력 잠수함의 위력과 비대칭 세력으로서 재래식 잠수함의 능력을 세계에 뚜렷하게 각인시켰다.
강대국들이 보유하고 있는 원자력 잠수함은 신속 작전해역 투입, 장기간 은밀한 해역감시정찰, 원거리 지상목표 타격, 특수부대 침투 등의 임무 수행능력으로 상대국에 심대한 위협이 되어 왔다. 최근에는 재래식 잠수함이 AIP 추진체계 채택 등으로 고도로 정숙화되고 수중체재 능력이 향상되면서 기본 공격무장인 어뢰, 기뢰 외에 대함, 대공, 대지 공격 미사일 등 다양한 장거리 정밀타격능력을 갖추어 연안해전에서 매우 위협적인 세력으로 등장하고 있다. 역사적으로 주변 해양강국으로 둘러싸여 열강의 세력다툼의 장이 되어온 한반도 주변 해양은 미래에서도 유사한 상황 반복될 장소로 예측되어지고 있다. 특히 해양식량 및 해저자원 확보차원에서 최근에 주변국간에 첨예하게 야기되고 있는 해양 분쟁이 점증하는 추세여서 유사시 미래 연안해전에 대한 철저한 대비가 절실한 실정이다. 특히, 한국해역은 해역특성이 매우 복잡하여 국제적으로 유명한 잠수함 천국이며 주변국들의 잠수함 세력의 주요한 활동무대가 되고 있어 유사시 대잠전이 매우 중요한 역할을 담당할 예정이다.
수중탐지 기술
잠수함 탐지 방식은 음향탐지와 비음향탐지로 크게 구분된다. 비음향 탐지장비는 레이더, 라이더(LIDAR), 매드(MAD), 광학장비, ESM 등이 있다. 레이더는 잠수함이 스노켈이나 잠망경 운용을 위해 잠망경 심도로 항해할 경우 잠망경이나 스노클 마스트를 전자파로 탐지하는데 사용된다.
레이더는 대잠항공기에 탑재되는 잠망경탐지용 합성개구면 레이더인 ISAR과 대잠헬기용 잠망경 탐지레이더 PDR이 있다. 개구면 합성 레이더인 ISAR은 레이더 반사강도가 매우 작은 잠망경을 효과적으로 탐지하기 위하여 개발되어 사용되고 있다. 비행기 탑재공간 제약으로 레이더 안테나 크기가 소형인 문제점을 해결하기 위하여 ISAR은 안테나 개구면을 대형 안테나처럼 전자적으로 합성해서 소형표적에 대한 탐지성능을 향상시켰다.
LIDAR는 청록레이저가 수중에서도 어느정도 깊이까지 전달된다는 특성을 활용하여 측심기로 개발되었다. LIDAR는 기동성이 높은 항공기 측심기로서 천해에서 해저지형측정과 기뢰탐지용으로 사용된다. LIDAR는 해상도가 매우 높아 해저 설치된 기뢰와 같이 소형물표를 탐지 식별하는데 매우 유용하여 대기뢰전에 활용되고 있다. 그러나 부유물이 많은 혼탁한 바다에서 투과특성이 급격히 떨어지는 레이저의 단점으로 수심60m 이내에서 주로 사용된다. LIDAR를 이용하여 해면 가까이 이동하는 잠수함을 탐지하는 노력이 지속적으로 진행되고 있으며 탐지 심도를 증가시키는 문제가 최대 관건이다.
한국해역에서 LIDAR는 해안 가까이 침투해서 착저한 잠수정을 탐지하는데 효과적인 수단이 될 수 있다. MAD는 강철 선체인 잠수함이 지구자기장을 변화시키는 현상을 탐지하는 장비이다. MAD는 주로 대잠항공기에서 잠수함을 공격하기위하여 최종 확인하는 단계에서 주로 사용된다. 자기변화를 탐지하는 MAD도 광학탐지장비인 LIDAR처럼 탐지거리가 매우 제한적이며 잠수함을 on-top 한 상태에서 탐지한다. 해저저질의 광물특성이나 해저에 가라앉은 난파선 등으로 지자기 소음이 발생하여 MAD 탐지에 간섭을 주므로 대잠작전해역에서 지자기를 정기적으로 측정하여 지자기지도를 데이터베이스로 관리하여야만 유사시 효과적인 대잠작전 수행이 가능하다. |
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광학장비인 망원경은 수상 항해하는 잠수함 탐지에 매우 유용한 수단으로 오랫동안 사용되고 있다. 특히 잠수함 잠망경이 물살을 가를 때 발생하는 웨이크의 흰 포말 때문에 상당한 거리에서 효과적으로 잠수함을 탐지할 수 있다. 카리브해와 같이 맑은 천해에서는 잠항 이동하는 잠수함을 항공기가 육안으로 식별하는 경우도 종종 있다.
비음향탐지 센서가 해면 근처에서 이동하는 잠수함을 탐지하는데 유용한 수단이 되지만 수중에서는 음향을 이용하여 잠수함표적을 탐지하는 방법이 가장 효과적이다. 소나는 I, II 차 세계대전을 치르면서 획기적인 발전을 했는데 전자파 레이더 기술을 음파 탐지기에 활용한 소나가 탄생하였다. 군사용 소나는 수중 음파 탐지장비로서 수중표적을 탐지, 추적, 위치추정하고 식별하는 장비로 통칭될 수 있다. 수중음향을 이용한 소나는 잠수함에서 발생하는 소음을 탐지하는 수동형 소나와 음파를 송신하여 잠수함에서 반사되는 반사파를 탐지하는 능동형 소나로 구분된다. ] 소나는 이용 목적에 따라 mHz 대역의 초저주파 지진탐지기에서 GHz 대역의 음향현미경까지 매우 넓은 스펙트럼을 갖는다. 대잠전체계인 전형적인 잠수함 탐지소나는 10 Hz ~ 10 kHz 대역의 수동형 탐지 대역과 1 kHz ~ 10 kHz 대역의 능동형 소나 대역이 이용되고 있다. 잠수함 스텔스기술의 발전으로 잠수함 탐지가 어려워지면서 최근에는 2 kHz 이하의 저주파 능동소나가 연구개발되고 있으며 수동형소나도 센서길이가 수 km되는 극저주파 예인형 선배열 소나도 운용되고 있다.
대잠전 수중탐지체계는 탑재형태에 따라 항공용, 수상함용, 잠수함용, 해저설치용으로 분류된다. 항공용 소나는 대잠초계기와 헬기에서 운용하는 소노부이와 대잠헬기에서 운용되는 디핑소나(Dipping Sonar)가 있다. 수상함용 소나는 kHz 대역의 능동소나로서 선저고정형 HMS와 가변심도형 VDS가 있으며 1 kHz 이하대역의 수동형 예인선배열 소나 TASS가 대표적인 형태이다. 수동형 예인소나 TASS는 전투함용 전술형 TACTAS와 정보함용 이동형 수중 조기경보체계인 SURTASS로 구분된다. 전형적인 대잠소나인 HMS가 층심도 이하로 깊게 이동하는 잠수함 탐지에 매우 취약한 문제점을 해결하기 위하여 저주파 능동형 예인소나 ATAS가 최근에 개발되어 전력화 되고 있다. |
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잠수함용 소나는 다양한 복합센서들로 구성되어져 있는데 함선수에 원통형, 구형, 말굽형(Conformal Array) 수동소나, 선체 옆구리에 부착되는 Flank Array Sonar, 거리측정용 Passvie Ranging Sonar, 소나송신음탐지분석용 Intercept Sonar, 예인형 TAS, 장애물회피용 고주파 능동소나 Obstacle Avoidance Sonar 등이 있다. 해저고정형 소나는 50년대 개발된 수중경보체계인 SOSUS, SOSUS 개량형인 FDS와 분쟁지역에 신속하게 이동 설치할 수 있는 소형 경량 탐지체계인 이동형 ADS가 있다.
수중탐지 기술 발전 추세
수중탐지체계는 단독 탐지센서 운용에서 복합 분산 센서망 탐지체계로 발전하고 있으며 천해에서 작전하는 재래식 잠수함 탐지를 주요 목표로 하여 연구개발되고 있다. 수중탐지 장비 기술은 다음과 같이 발전하고 있다. ∙ 중주파수대 수상함 HMS와 수동형 TACTAS에서 저주파수대 HMS와 다기능 예인센서 MFTA를 bi-static 소나로 개량 개발 ∙ 1 kHz 대역 저주파 능동 예인형 소나 채택 즉 미래대잠전 체계는 각각의 센서체계가 독립적인 운용개념으로 설계되던 방식에서 탈피하여 대잠작전에 투입되는 모든 센서가 Multi-static 소나망은 다양한 형태의 복합 센서들로 센서망을 구축하여 탐지영역을 확장하는 장점도 있지만 적 잠수함을 은밀하게 탐지하는 장점도 있다. 수상함 탑재 대잠헬기가 수상함과 일정 거리를 두고 디핑소나로 잠수함을 탐색하고 수상함 MFTA가 디핑소나 수신기로 운용되고 있는 상황을 가정해보자. |
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잠수함이 헬기 디핑소나의 송신음을 수신하여 음탐환경 예측결과를 근거로 피탐지영역 밖에 있다고 추정하고 행동할 경우 헬기와 충분히 이격된 수상함은 능동소나 송신을 하지 않고 수신만 하므로 잠수함에게 탐지되지 않고 잠수함을 탐지할 수 있다. 송수신기가 분리된 탐지체계는 잠수함이 수상함을 먼저 탐지하여 피탐지되는 상황을 최소하는 함기동으로 전술적 우위를 누리고 있던 상황을 변화시킨다. 즉 잠수함이 송신기에 대해 잠수함 선체 음향반사가 최소가 되도록 자세각을 취하고 최적심도와 거리를 유지할 수 있었으나 송신음을 발생하지 않는 수신센서를 운용하는 은밀한 수상함에 대한 위치 정보를 갖고 있지 못함으로써 전술적 기동에 대한 판단을 하기가 매우 어려워지는 상황으로 미래 대잠전이 변화할 것이다. 미해군이 응용연구 개발하여 한국해역에서 성능시험을 수행 중인 Distant Thunder가 대표적인 다중상태 소나이다. Distant Thunder는 헬기에서 분산 투하된 폭발성 수중음원인 소노부이들을 순차적으로 작동시키면서 수상함 MFTA에서 잠수함을 탐지하는 체계이다. 천해 잔향음 제한환경에서 저주파 음향탐지 성능 향상을 위한 기법개발과 시험평가가 지속적으로 이루어지고 있다.
대잠전체계의 탐지체계 형태의 변화와 더불어 소나의 잠수함 탐지 성능 감소 추세를 만회하기 위한 노력은 센서, 신호처리, 정보 |
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ARCI 프로그램은 상용 컴퓨터 기술을 원자력 잠수함 소나 성능개량에 적용하여 기존의 절차에 의해서는 불가능한 짧은 기간에 단계적으로 연구개발되는 최신 기술로 잠수함 소나 성능을 획기적으로 개량하고 있다. 첫 단계로 towed array Advanced Processing Build(APB99)가 개발되어 SSN691에 2000년에 탑재되고 시험평가되어 2000년 11월에 전력화되었다. ARCI Phase II/IV 단계에서는 Virginia Class 잠수함 소나인 BSY-2의 Spherical array, Wide Aperture Array, Towed Array, High Frequency Array 센서처리 기능을 개량하고 있다. ARCI은 매년 개발된 기술로 운용중인 소나의 성능개량을 지속적으로하고 있다는 특징이 있다.
컴퓨터기술의 획기적인 발전 속도는 미해군으로 하여금 mil-standard를 포기하고 Non-Development Item COTS를 채택하도록 변화시키고 있다. 현재 컴퓨터 보드 한 장이 기존의 군용전산기 캐비닛 전체의 성능을 능가하고 있기 때문에 복잡한 절차와 매우 느린 군용규격을 고집해서는 변화하는 미래전장 환경에서 생존하기 어렵다.
현대 복합전에서 요구되는 무기체계 기능 및 성능을 위해 보다 정교한 전장 운용개념정립이 요구되고 무기체계 획득기간이 단축되는 추세이다. 이러한 요구변화에 신속히 대응하기 위하여 국방기술분야에서 모델링 시뮬레이션 기술이 활발하게 이용되고 있다. 수중 탐지 환경에 적합한 잠수함 탐지체계에 대한 운용개념과 요구능력을 설정하고, 효과도를 분석하여 대안을 제시하고, 소요 제기되는 음탐체계를 개발하여 운용하는 일련의 과정을 성공적으로 수행하기 위해서는 신뢰성 높은 모델링 시뮬레이션 기반의 체계분석 기술이 매우 중요하다.
선진해군의 체계분석기술은 전쟁/임무 수준에서 체계효과도 분석 및 체계 임무 요구 사항을 도출하고, 공학수준에서 체계성능도를 예측하고 설계/검증/평가에 모델링 시뮬레이션기술을 사용하고 있다. 시뮬레이션기반 획득(Simulatione Based Acqusition), 시뮬레이션 기반 설계(Simulation Based Design), 신기술시범(Advanced Technology Demonstration), 신개념기술시범(Advanced Concept Technology Demonstration)을 수행하는데 모델링 시뮬레이션의 궁극적인 목표인 실제나 모의환경에서 가상시제(virtual prototype)나 실제장비에 대한 HW/SW-in the-simulation을 hybrid simulation 형태로 수행하고 있는 수준이다. 이러한 새로운 무기체계 개발 및 획득 패러다임으로 점진적이고 신속하게 지속적인 무기체계 개발 및 개량이 원활하게 이루어지고 있다.
한국해군 수중탐지 체계 발전방향
한국해군의 대잠탐지체계는 미래 대잠전 환경변화에 대비하여 지속적으로 발전해야 한다. 현재 수상함 주력 센서인 선저고정형 능동소나는 여름철 음탐환경에서 층심도 이하 깊이의 잠수함을 탐지하는데 제한적이므로 VDS 형태의 센서를 채택하는 것이 필요하다.
VDS 센서는 Active TAS 형태와 Bistatic MFTA 형태가 고려될 수 있다. 한국해역은 수중설치된 어망 등으로 예인형 센서를 운용하기에 매우 어려운 실정이다. 수동형 선배열 예인센서는 미끈한 케이블 형태로서 어망이나 로프에 걸리기보다는 접촉되어 표면이 손상될 확률이 있으나 육중한 부피를 갖는 수중예인센서형태인 저주파 능동형 TAS는 수중예인센서가 어망이나 로프에 걸려서 수중 센서부가 심하게 손상될 상황이 발생할 수도 있는 위험성이 존재한다. 절충형태로서 현재 개발되어 운용중인 TASS나 어뢰음향대항체계(TACM) 예인센서를 HMS 신호용 Multi-Function TAS로 개량하여 Bi-static 소나로 운용하는 방안도 있다. 단 MFTA를 위해 HMS 송신신호 주파수, 송신출력, 송신모드가 적합해야한다.
국내 개발되어 운용중인 수동형 TASS도 점차 정숙화 되어가는 잠수함 정숙화 발전추세에 대비하기 위하여 능수동 복합형으로 발전해야한다. TASS 개량은 HMS와 연계하여 한국적 대잠환경에 적합하도록 발전방향을 수립해야 한다. 즉 미래 대잠전 환경이 개별 탐지센서의 독립적인 운용에서 센서망 정보융합 체계로 발전하므로 HMS, MFTA, ATAS가 동작주파수, 운용 모드 등이 통합된 대잠전 탐지체계처럼 운용될 수 있도록 설계되어야 한다.
항공대잠전 체계인 헬기 디핑소나도 10 kHz 중주파수 대역에서 1 kHz 대역의 저주파용으로 발전하고 있다. 저주파 능동소나는 저주파 음향신호가 비교적 멀리 전달된다는 특성과 2 kHz 대역이하에서는 잠수함 선체 음향 무반향 타일의 효과가 떨어지는 특성을 이용하여 장거리 잠수함 탐지를 목적으로 개발되었다. 저주파 능동소나가 잔향음 탐지제한 구역인 천해에서 재래식 잠수함에 대해 양호한 특성을 갖는지는 한국해역에서 해상실험을 통해 검증할 필요가 있다. 대잠헬기의 디핑소나도 수상함 MFTA와 연계하여 multi-static 소나체계로 운용될 수 있다. |
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항공대잠전의 주력 센서인 소노부이도 DICASS와 DIFAR에서 성능이 향상된 지향성 센서배열을 갖는 수직 선배열 DIFAR나 EER 탐지체계 운용을 위한 저주파용 능동 소노부이를 고려해 볼만하다.
한국해역은 대잠전 수행하기에 매우 어려운 해역특성이므로 한국해역 특성에 적합한 대잠탐지체계가 개발되어야 한다. 미래 대잠전 환경은 매우 교통량이 많고 대륙붕을 끼고 천해와 심해가 공존하는 복잡한 지형이므로 고도로 정숙화되고 타격능력이 강화된 미래 잠수함을 상대로 기존의 대잠작전을 수행하기가 매우 어렵다. 세계적으로 대잠탐지체계가 센서망 수중감시체계인 Network Centric ASW 구조로 발전하고 있으므로 한국해군의 대잠탐지 센서들도 상호 연계탐지가 가능한 multi-static 소나망 구조로 발전해야 한다. 센서망 대잠전체계의 대상소나는 HMS, MFTA, 디핑소나, 소노부이, 잠수함소나, 해저고정형 소나가 모두 고려되어야 한다.
국내 대잠전 체계는 1980년대 기초 및 응용연구, 1990년대 체계개발 단계를 거쳐 TASS, TACM, ULTASS, 항만감시체계, 중어뢰, 경어뢰, 대잠로켓이 순차적으로 개발되고 있다. 차기 호위함 FFX의 HMS 국내개발이 '06년부터 착수될 예정이며 LPX, PKX, FFX 전투체계도 단계적으로 개발될 예정이다.
대잠전체계 개발위한 산학연 협력체제로서 1997년에 설립되어 수중음향기술 기초연구를 수행한 수중음향 특화연구센터, 2007년 설립 예정인 수중통신/탐지 특화연구센터와 국과연에서 수행한 수중탐지 관련 핵심기술 응용연구를 통해 미래 대잠전체계를 국내개발하기 위한 기술기반을 확보해 가고 있다. 수중음향특화센터는 해양음향연구, 신호처리연구, 진동소음대책연구, 수중센서연구 분야에 대한 기초연구를 수행하여 국내 수중음향 기반을 확고하게 하였으며 일부 기술은 위탁연구 등을 통해 개발되는 탐지체계에 적용되었으며 미래 대잠전체계 개발에 활용될 예정이다.
특화센터 신호처리연구실에서 연구되는 과제는 다중상태신호처리기술, 합성개구소나기술, 능동 예인소나 기술이다. 다중상태 신호처리기술은 다중상태소나망 운용개념과 효과도 및 다중센서정보융합 기술을 연구하고 합성개구소나기술은 레이더에서 사용되는 Synthetic Aperture Array 기술을 소나에 적용하는 기술로서 소규모 센서배열을 대규모 센서배열로 합성하여 배열이득을 증가시키는 미래 기술이다. 능동 예인소나 기술은 차기 수상함용 Active TASS 국내 개발을 목표로 기초기술을 확보하기 위하여 수행중이다.
Network Centric ASW연구는 국과연에서 '04년부터 다중상태 능동음향신호 탐지기술로 핵심기술을 연구했다. 국과연은 수중음향특화센터 기초연구 결과를 기반으로 다중상태 탐지기술과 실제 해상실험을 통한 이론검증을 수행하여 미래 한국 대잠전체계 개발기술을 확보하였다. 특히 2007년에 분산 센서망 수중감시체계를 개발하기 위한 기초연구 수행을 목적으로 수중통신/탐지 특화연구센터 설립을 준비 중이다. 수중통신/탐지 특화연구센터는 무인잠수정과 수중센서망 등 분산설치되어 운용되는 다양한 수중 센서망 신호를 수중통신으로 연결하는 기술과 분산센서망 탐지체계의 무인화 자동화 탐지 및 정보융합 기술을 연구할 예정이다.
결론
한국해군은 외국에서 대잠전체계를 전량 수입하여 운용만 하던 시대에서 벗어나 국내개발된 대잠전체계를 탑재하여 운용하는 시대로 접어들었다. 미래 대잠전체계는 소나가 독립적으로 운용되던 개념에서 다양한 형태의 탐지 센서망 대잠전 체계로 발전하고 있어 향후 개발될 대잠전체계는 다중상태 센서 운용이 가능하도록 설계되어야 한다. 다중상태 소나망 체계를 위해 소나장비간의 상호연계성이 매우 중요하므로 단독장비 국외도입보다는 가능한 국내 연구개발되어야 한다.
대잠전체계 국내연구개발 기반은 20여년간 쌓아온 산학연 협력체제와 세계적 수준의 국내 전자기술과 관련 분야 산업기반이 구축되어 있어 미래 대잠전체계는 대부분 국내개발이 가능할 것으로 판단된다. 새로운 대잠전체계 개발과 더불어 현재 운용되고 있는 대잠전체계에 대한 체계적인 전술 훈련과 분석평가를 통한 전술개발과 장비 성능개량이 지속적으로 수행되어야 한다.
약어정리 • SONAR : Sound Navigation and Ranging 음파탐지기 • MAD : Magnetic Anomaly Detection 자기탐지기 • SOSUS : SOund Surveillance System 해저고정형 수중감시체계 • FDS : Fixed Distributed System 분산고정 설치형 수중감시체계
출처 : 국방과학기술 플러스 |
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