안개와 비를 투시할 수 있는 열화상카메라
기상조건이 적외선카메라의 성능에 미치는 영향
열화상카메라의 시계(視界)거리는 보통 가장 이상적인 기상조건일 때를 기준으로 한다. 그러므로 사정(射程)거리가 안개, 비 기타 기상조건에 따라서 얼마나 달라지는지는 매우 중요한 기준이다. 완전한 어둠 속이나 옅은 안개와 가벼운 비나 눈 등을 뚫고서 볼 수는 있지만, 이러한 기상조건에 다름 아닌 시계거리가 달라진다.
자료제공 | 플리어시스템코리아(www.flir.com)
열화상카메라는 완전한 어둠 속에서도 선명한 이미지를 보여준다. 조명 없이도 매우 자세한 부분까지 선명하게 볼 수 있는 고급화질의 이미지를 제공할 수 있기 때문에 다양한 나이트 비전시스템에 이상적인 장비다.
“열화상카메라로 관찰할 수 있는 거리는 어디까지인가?”라는 질문은 나이트 비전 시스템에서 매우 중요한 사항이다. 열화상카메라로 관찰할 수 있는 거리, 즉 시계 또는 사정거리는 사용하는 렌즈를 포함하여 다양한 변수에 따라 달라진다.
예를 들어 카메라의 디텍터가 냉각식인가 비냉각식인가에 따라서 크게 차이가 난다. 그리고 더욱 중요한 요인은 기상조건에 의해서 달라진다는 사실.
적외선의 투과율(Transmittance)
맑게 개인 날씨라 하더라도 대기가 가지고 있는 본질적인 흡수성 때문에 특정한 파장대의 적외선카메라로 볼 수 있는 거리는 제한적이다. 열화상카메라는 목표물이 방사하는 열선의 강도차이를 검출하여 이미지를 제공하므로 카메라와 목표물 사이의 거리가 멀수록 적외선의 강도가 점점 약해진다.
따라서 감쇄율(Attenuation Factor)을 고려하지 않으면 안 된다. 감쇄율은 어떤 물질을 투과해 나오는 광선의 강도와 그 입사광선의 강도 사이의 비율을 말한다. 습기가 많은 공기는 적외선을 잘 흡수하기 때문에 습도가 높은 여름철에는 겨울철보다 대기의 감쇄율이 더 높다. 기상조건이 똑같이 좋다 하더라도 겨울철에는 여름철보다 열화상카메라로 더 멀리 관찰할 수 있는 것이다.
그러나 대기 중에서 적외선을 흡수하는 것은 수분뿐만이 아니다. 기상조건 중에는 수분보다 열화상카메라의 시계거리를 훨씬 더 많이 단축시키는 것이 있다.
바로 안개와 비다. 작은 물방울이 광선을 산란시키는 효과를 가지고 있으므로 열화상카메라의 시계를 크게 단축시킨다. 물방울이 많을수록 적외선의 감쇄율은 더 커진다. 그래서 사용자들의 중요한 질문 중 하나는 가시광선 영역에서 성능과 비교하면 어느 정도 심한 비 또는 안개가 열화상카메라의 시계성능에 영향을 미치는지 이다.
안개의 등급 분류
안개는 지구표면 가까운 곳에서 대기 중에 부유하고 있는 눈에 보이는 미세한 물방울이다. 공기 속에 있는 수분이 포화상태에 이르면, 즉 상대습도가 100%에 가까워지면 수분이 연기나 먼지입자를 핵으로 삼아서 응결되기 시작한다.
또 다른 종류의 안개도 있다. 이류(Advection)에 의해 발생하는 안개는 온도차이가 있는 두 개의 큰 공기 덩어리가 서로 섞일 때 생기는 것이다. 또 다른 종류의 안개는 복사(Radiative)에 의해 생기는 안개다. 이것은 온도가 이슬점에 가까운 공기의 복사냉각 과정에 의하여 발생한다.
해상에 층운 모양으로 형성되는 안개에서 그 층이나 위치에 따라서 안개의 농도가 달라지는 것은 안개 속의 물방울이 서로 응결하여 커지기 때문이다. 안개 속에 있는 물방울은 수분을 계속 흡수하여 상당한 크기로 자랄 수 있다. 적외선의 산란율이 가시광선의 산란율보다 작은지 여부는 물방울의 크기 분포에 따라서 결정된다. 안개를 다른 기준으로 분류할 수도 있다.
국제민간항공기구(ICAO : International Civil Aviation Organization)가 규정한 안개 농도분류법이 널리 사용되고 있다. 이 분류법은 안개를 다음과 같이 4개의 범주로 나누고 있다.
등급(Category) I : 시계거리 1220m
등급 II : 시계거리 610m
등급 IIIa : 시계거리 305m
등급 IIIc : 시계거리 92m
안개 속에서 시계거리가 짧아지는 것은 안개 물방울이 광선을 흡수하고 산란시키기 때문이다. 이 흡수 및 산란되는 정도는 보통 에어로졸이라 부르는 안개 입자의 미세 물리구조에 의하여 결정된다.
MODTRAN
MODTRAN(Moderate Resolution Propagation Model)은 미공군이 규정하여 사용하고 있는 대기복사 전달 코드(atmospheric radiative transfer code)다. 이 모델은 다양한 대기조건에 대하여 대기를 모델링할 수 있는 것이다.
MODTRAN은 넓은 파장대 및 스펙트럼 영역에서 Path Radiances, Path Transmission, Sky Radiances, 그리고 지표에 도달하는 태양 및 달빛의 광휘(Irradiance) 등을 포함하여 대기의 다양한 물성을 예측할 수 있다.
MODTRAN을 이용하면 넓은 스펙트럼 범위 내에서 투과율(Transmittance)과 휘도(Radiance) 등을 계산할 수 있다. 이는 다양한 위도와 계절별로 6개의 기후 모델을 제공한다. 또한 이 모델은 각 기후 별로 발생할 수 있는 6종류의 에어로졸을 규정하고 있다. 각 기후 모델은 각기 다른 종류의 에어로졸과 결합될 수 있다.
열화상카메라로 비나 안개를 뚫고 볼 수 있는 거리는 해당지역의 기후와 현재 공기 중에 있는 에어로졸 종류에 의해서도 영향을 받게 된다.
MODTRAN 모델의 입력 데이터는 위와 같은 특정한 기후 및 에어로졸 등이지만 ICAO가 규정한 공중 항로의 가시거리(Visibility), 기하학적 형상과 길이, 목표물과 그 배경의 온도 및 방사율(Emissivity) 등도 포함된다.
일반적으로, 여러 종류의 에어로졸을 비교해보면, 해상의 에어로졸은 시골이나 도시지역의 에어로졸보다 물방울 입자의 크기가 크므로 기후 모델에 관계없이 시계거리를 가장 짧게 만든다. 시골이나 도시지역에 생기는 에어로졸은 적외선 시계거리에 큰 영향을 주지 않는다.
결국 해상에서는 육상에서보다 안개를 투시하기 어려우며, 이것은 세계 각 지역의 기후에 관계없이 공통적으로 해당되는 것이다.
열화상카메라의 파장대역
대기의 종류와 두께가 안개를 투시할 수 있는 성능에 영향을 미치는 것처럼 사용하는 적외선카메라 및 카메라의 적외선 파장대역도 매우 중요하다.
열화상카메라에서는 3.0~5μm(MWIR; 중파장 적외선) 및 8~12μm(LWIR; 장파장 적외선) 두 개 파장대역이 가장 중요하다. 5~8μm 파장대역은 대기 중의 수증기에 의해서 심하게 차단되므로 열화상 촬영에는 거의 사용되지 않는다.
전자기파 스펙트럼
비냉각식 센서를 사용하는 열화상카메라는 장파장 적외선 대역인 7~14미크론에서 사용되며, 지구상에 있는 물체는 거의 대부분의 적외선을 이 파장대역에서 방사하므로 비냉각식 센서를 사용하더라도 열화상을 쉽게 얻을 수 있다.
극저온의 온도에서 작동하는 냉각식 디텍터를 사용하는 열화상카메라는 아주 미세한 온도차이도 정확하게 검출할 수 있으며 주로 중파장 또는 장파장 대역의 적외선을 이용하도록 설계된다.
중파장과 장파장 대역의 스펙트럼 투과율은 서로 다르다. 그러므로 비냉각식 장파장 디텍터를 사용하는 열화상카메라와 냉각식 중파장 디텍터를 사용하는 열화상카메라는 안개를 투시할 수 있는 성능에 차이가 있다.
대기 투과율 모델 결과
다양한 범위에서 대기의 스펙트럼별 투과율을 고려하면 각기 다른 대기상태에서 가시거리를 단순 비교할 수 있다.
투과율만으로는 볼 수 있는 시계거리를 완전하게 설명할 수 없지만, 가시광선과 적외선의 투과율을 비교해보면 대기상태에 따라서 가장 적합한 적외선 파장대역이 있다는 것을 알 수 있다.
탐지 거리
대기의 조건만으로는 안개 또는 빗속을 뚫고 얼마나 멀리 관찰할 수 있는지 완전하게 결정할 수 없다. 왜냐하면 목표물체의 크기와 배경에 대한 온도 차이도 알 필요가 있기 때문이다. 아울러 카메라 광학장치와 디텍터의 공간 분해능, 디텍터의 잡음 수준, 신호 처리성능 또한 목표물과 배경 사이의 휘도 대비(콘트라스트)를 감소시키는 원인이 된다.
콘트라스트 휘도(contrast radiance)에 적외선 센서의 전달 기능이 미치는 영향을 TTIM(TACOM Thermal Image Model)으로 시뮬레이션 했다. 이 모델은 초점 평면배열(Focal Plane Array)을 가진 다양한 종류의 적외선 센서를 시뮬레이션할 수 있는 것이다.
표는 맨눈과 중파장 및 장파장 적외선카메라로 안개를 투시할 수 있는 시계거리를 비교한 것이다. 목표물과 배경의 온도 차이는 10°C, 검출 온도 분해능은 0.15k를 기준으로 했다.
Cat I에서는 적외선 검출거리를 범위로 표시했으며, 이는 MODTRAN에 규정되어 있는 다른 기후조건과 에어로졸의 변동을 포함하는 것이다. 장파장 적외선 대역에서는 겨울철, 낮은 습도, 시공 에어로졸 크기 분포일 때 가장 우수한 성능을 보였다. 중파장 대역에서는 여름철 또는 열대지방처럼 기온이 높을 때 가장 긴 시계거리를 보였다.
Cat I 범주의 안개 속에서는 적외선으로 관찰할 수 있는 거리가 모두 맨눈보다 훨씬 더 먼 것으로 나타났다. Cat II 범주의 안개에서는 장파장 대역용 적외선 디텍터를 사용하는 열화상카메라의 시계거리가 맨눈보다 4배 더 긴 것으로 나타났다.
Cat IIIa 및 Cat III 범주의 안개에서는 대기 자체가 시계를 차폐하므로 맨눈과 열화상카메라 사이에 시계성능의 차이가 거의 나타나지 않는다. 이처럼 짙은 안개는 가시광선과 중파장, 장파장 대역의 적외선이 모두 통과할 수 없다.
결론 및 결과
이상과 같은 모델에 의하면 Cat I 및 Cat II 범주의 안개 속에서는 열화상카메라가 맨눈, 즉 가시광선보다 우수한 투과성능을 제공한다. 그러므로 이런 종류의 안개에서는 열화상카메라가 훌륭한 성능을 발휘한다. 이 모델에 의하면 열화상카메라는 항공기가 착륙할 때 보조장치로서, 또는 자동차 운전자의 시계 증강에 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
그리고 중파장보다 장파장 대역의 적외선이 안개 투시성능에서 더 우수하다는 것을 알 수 있다. Cat II 범주의 안개에서는 장파장 열화상카메라가 중파장 열화상카메라보다 약 4배의 시계거리를 더 제공한다.
그러나 용도별로 가장 적합한 열화상카메라를 선택하려면 센서의 온도 분해능과 목표물의 특성 등을 고려할 필요가 있다. 물론 가격 역시 중요한 고려사항이다.
예를 들어 감시 및 보안용에는 비냉각식 장파장 열화상카메라가 부적당하다. 먼 거리를 감시하려면 렌즈가 너무 커지고 가격이 높아지기 때문이다.
중파장 대역의 열화상카메라는 대기 오염물질과 오염가스에 의하여 성능이 저하된다. 오염물질은 대기의 흡수율을 높이거나 경로 휘도를 증가시키며 그 결과 목표물의 이미지 콘트라스트가 저하되기 때문이다. 장파장 대역의 적외선은 이런 영향을 훨씬 작게 받는다.
비가 오면 목표물의 콘트라스트가 크게 저하되며 이 영향은 중파장과 장파장 모두 비슷하게 미친다. 빗방울이 대기의 산란율을 높이고 광선을 차단하기 때문이다. 적외선 장치의 시계거리 성능이 비에 의하여 영향을 받는 정도는 매우 민감하며 특히 100~500m 범위에서 크게 낮아진다.
결국 열화상카메라를 사용하면 안개 속에서 얼마나 멀리 볼 수 있는지를 간단하게 대답할 수 없는 것과 마찬가지로, 시계거리가 얼마나 단축되는지도 일괄적으로 대답할 수 없는 것이다. 이러한 영향은 대기의 조건과 안개의 종류에만 관계되는 것이 아니며 사용하는 열화상카메라와 재상물체의 성질(크기, 배경과의 온도 차이 등)에 의해서도 달라진다.
