제6부 센서·임무 탑재체
6.9 음향·화생방·기상 등 특수 센서
6.9.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
카메라와 레이더가 멀리서 보는 센서라면, 이 장의 센서는 대개 그 자리에 가서 재는 센서다. 마이크는 소리를, 가스 센서는 공기 속 분자를, 방사선 계수기는 감마선 광자를, 기상 센서는 기온·습도·바람을 잰다. 사람이 들어가기 위험한 곳이나 높이에 무인기가 센서를 대신 들고 간다. 문제는 기체가 재려는 매질을 스스로 교란한다는 데 있다. 로터는 소리를 내고, 공기를 아래로 밀고, 모터는 열을 낸다. 이 장은 범주마다 원리·성능 지표·기체가 만드는 오차를 작성하고, 계산으로 그 크기를 보인다.
배우는 것:
- 음향 센서 — 마이크 위치의 자체 소음이 탐지 거리를 정하는 식, 배열 이득과 협대역 이득, 배열의 방향 분해능이 파장에 묶이는 이유.
- 가스·화학 센서 — 광이온화·전기화학·분광·입자 계수 등 검지 원리의 범주와 응답 시간, 응답 시간이 공간 해상도로 바뀌는 계산.
- 하강풍과 시료 — 2 kg 쿼드콥터의 유도 속도(약 6.3 m/s)가 플룸을 흐트러뜨리는 기하와 흡입구의 자리.
- 방사선 측정 — 점 선원의 계수율이 역제곱과 공기 감쇠로 줄어드는 식, 고도와 속도의 교환, 분실 선원 탐색의 줄 간격 계산.
- 기상 센서 — 기체가 만드는 오염(열·후류·일사)과 센서 지연이 수직 해상도로 바뀌는 계산, 바람 추정의 한계.
- 시료 채취와 법 — 물리 시료의 채취와 보관 사슬, 녹음·방사선원·위험물·폭발 위험 장소의 규제 연결.
선수 지식: 소음의 원리와 2 kg 쿼드콥터의 소음 값은 1.31(특히 1.31.5·1.31.9·1.31.11), 대기자료 센서와 바람 추정은 2.8(2.8.7.2·2.8.10), 기상 환경은 1.32다. 로터 유도 속도는 운동량 이론(1.2)의 결과를 사용한다. 수식은 로그·지수 함수와 간단한 적분 수준이다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 6.9.3·6.9.5·6.9.6과 6.9.10의 워크스루를 본다. 소방·재난·환경 기관과 사업 담당자는 6.9.4(가스 센서 고르기)와 6.9.6(방사선 탐색)을 먼저 본다. 법무·정책 담당자는 6.9.14(녹음·방사선원·위험물·방폭)를 본다.
기준 시점과 경계. 이 장은 2026년 10월을 기준으로, 지식은 2026년 중반까지 반영했다. 수치는 모두 일반적 모형, 교육용 가정이며 특정 장비의 제원이 아니다. 센서의 감도·응답 시간은 문헌과 제품 자료에서 흔히 보는
(경험 범위)이고 제품별로 확인해야 한다. 계산은 파이썬(표준 라이브러리math)으로 했다(mil-uam/fig-src/6.9-calc.py). 이 장은 탐지·측정·대응만 작성한다. 화학·생물 작용제나 방사성 물질의 제조·확산·무기화와 관련된 내용은 다루지 않는다. 땅에 둔 마이크 배열로 무인기를 찾는 대드론 탐지는 11.1이 맡는다.
6.9.2 개념·직관 — 가서 재는 센서, 그리고 흔들리는 매질
원격 센서의 신호는 거리에 따라 약해진다. 현장 센서는 가까이 가는 것으로 그 문제를 푼다. 방사선은 거리의 제곱으로 약해지므로 10 m에서 재면 100 m에서보다 100배 이상 많이 센다. 가스 농도는 누출원 가까이에서 높다. 기상 관측은 재고 싶은 높이에 직접 올라가야 한다. 무인기는 사람이 가기 어렵거나 위험한 그 자리를 싸게 오간다.
그 대가로 기체가 측정 환경의 일부가 된다. 세 가지가 반복해서 나온다.
- 자체 소음. 2 kg 쿼드콥터는 음향 출력 87 dB(A)의 소음원이다(1.31.9). 기체에 단 마이크는 그 소음원에서 수십 cm 떨어져 있다.
- 하강풍. 로터는 공기를 초속 수~십수 m로 아래로 민다. 가스와 입자의 시료가 섞이고 밀려난다. 기온·습도 센서는 로터가 빨아들이고 섞은 공기를 잰다.
- 열과 전자기. 모터·배터리·ESC의 열이 기온 측정을 오염시키고, 전자 장치의 간섭이 민감한 계측 회로에 들어간다(8.10).
그래서 이 장의 설계 질문은 대개 같다. 센서를 기체의 어디에 두고, 어떻게 날며 재는가.
세 축의 요구는 이렇게 다르다.
| 축 | 특수 센서가 맡는 일 | 주된 제약 |
|---|---|---|
| 군용 드론 | 화생방 정찰(오염 지역의 탐지와 경계 확인), 방사선 측정, 음향 감지, 전장 기상 | 오염된 기체의 제독, 방호, 공개 자료의 한계 |
| 민간 UAS | 산업 누출 점검, 화재 연기와 대기질, 원자력·방사선 사고 측정, 실종자 음향 탐색, 기상 관측과 대기 경계층 연구 | 하강풍·자체 소음, 측정의 신뢰성과 검증, 위험 지역 비행 승인 |
| AAM | 임무 탑재체보다 안전 센서 — 배터리 열폭주의 가스 조기 감지, 수소 연료의 누출 감지, 버티포트의 국지 기상 | 인증된 신뢰성, 오경보와 미경보의 교환(15.5) |
6.9.3 음향 센서 — 자체 소음과의 싸움
6.9.3.1 결론과 식
결론부터: 기체에 단 마이크의 탐지 거리는 마이크 자리의 자체 소음이 정한다. 자체 소음이 10 dB 낮아지면 거리는 약 3.2배 늘어난다(퍼짐만 있을 때). 마이크를 여럿 묶은 배열과 톤을 좁은 대역에서 찾는 협대역 분석은 같은 효과를 신호 처리로 얻는다. 그러나 로터 바로 옆에서는 그것으로도 사람 목소리를 듣기 어렵다.
음원의 1 m 기준 음압 레벨을 $L_s$, 마이크 자리의 잡음 레벨을 $L_n$이라 하자. 자유음장의 구면 퍼짐과 대기 흡수 $\alpha$[dB/km]를 넣으면 탐지 조건은 다음이다.
$$L_s-20\log_{10}r-\frac{\alpha\,r}{1000}=L_n-G_p+D_T$$
$D_T$는 탐지 문턱(필요 신호 대 잡음비), $G_p$는 처리 이득이다. 처리 이득은 두 갈래다.
$$G_{\text{배열}}\le10\log_{10}N,\qquad G_{\text{협대역}}\approx10\log_{10}\frac{B_n}{B_t}$$
$N$개 마이크의 잡음이 서로 무관하면 배열 이득은 $10\log_{10}N$이다(8개에 9.0 dB). 로터 소음은 가까운 마이크들 사이에 상관이 있어 실제 이득은 이보다 작다. 협대역 이득은 잡음을 재는 대역 $B_n$과 톤이 차지하는 대역 $B_t$의 비다. 1 kHz 대역 속의 50 Hz 폭 톤이면 13 dB다. 1.31.11이 말한 "마이크 배열과 협대역 분석은 광대역 배경보다 낮은 톤도 찾는다"는 이 두 이득을 의미한다. 땅에 둔 배열로 무인기의 로터 톤을 찾는 대드론 탐지는 같은 원리이며 11.1이 다룬다.
6.9.3.2 자체 소음과 탐지 거리
마이크 자리의 자체 소음은 2 kg 쿼드콥터의 음향 출력(87 dB(A), 1.31.9)에서 자유음장 점음원으로 어림한다. 로터 반지름(0.127 m)에 가까운 거리에서는 근거리장이라 이 어림이 거칠다.
| 마이크와 로터의 거리 | 0.3 m | 1 m | 3 m | 10 m |
|---|---|---|---|---|
| 자체 소음 어림 | 86.5 dB(A) | 76.0 dB(A) | 66.5 dB(A) | 56.0 dB(A) |
음원 두 가지를 가정해 탐지 거리를 풀었다. 큰 외침은 1 m에서 82 dB(1 kHz)로 둔다. 음성 노력의 '외침' 수준으로 알려진 값이다 (ANSI S3.5의 값, 확인 필요). 구조용 호루라기는 1 m에서 110 dB(3 kHz)로 둔다 (공개 주장치 범위 안의 가정). 탐지 문턱은 10 dB, 흡수는 ISO 9613-1(20 °C·상대습도 70 %)로 1 kHz 4.98 dB/km, 3 kHz 15.0 dB/km다.
| 경우 | 로터 0.3 m | 1 m | 매단 3 m | 10 m |
|---|---|---|---|---|
| 외침, 마이크 하나 | 1 m 안에서도 못 들음 | 못 들음 | 1.9 m | 6.3 m |
| 외침, 배열 8개(+9 dB) | 못 들음 | 1.8 m | 5.3 m | 17.6 m |
| 호루라기, 마이크 하나 | 4.7 m | 15.4 m | 44.1 m | 127 m |
| 호루라기, 배열+협대역(+22 dB) | 54.5 m | 153 m | 336 m | 651 m |
로터를 멈춘 조용한 순간(배경 40 dB)에는 마이크 하나로도 외침을 39 m, 호루라기를 456 m에서 듣는다. 로터가 도는 한, 사람의 목소리는 수 m 밖에서 듣기 어렵다. 수색구조의 음향 탐색 연구가 배열·적응 잡음 제거·호버 중 짧은 소음 정지 같은 방법을 함께 사용하는 이유다 (연구 단계, 확인 필요).
자체 소음을 줄이는 방법은 다섯 갈래다. ① 마이크를 로터에서 멀리 둔다(긴 붐이나 줄에 매단 마이크). ② 흐름 잡음을 막는 방풍재를 씌운다. 하강풍 속의 마이크는 음향 소음보다 흐름이 마이크를 때리는 잡음이 더 클 수 있다. ③ 배열의 빔을 땅 쪽으로 모으고 로터 방향에 영점을 둔다. ④ 모터 회전수를 기준 신호로 사용해서 로터 톤과 그 배음을 지운다(적응 잡음 제거). ⑤ 고정익이 활공하거나 다중로터가 잠시 하강하며 동력을 줄인 순간에 듣는다.
6.9.3.3 방향 추정 — 개구와 파장
배열은 소리가 마이크마다 도착하는 시간 차로 방향을 잰다. 간격 $d$인 두 마이크에서 도착 시간 차는 $\tau=d\sin\theta/c$이고, 개구 $L_{ap}$인 배열의 빔폭은 대략 $\lambda/L_{ap}$다. 공기 속 음속 343 m/s에서 파장은 1 kHz 0.343 m, 250 Hz 1.37 m다. 소형 기체에 올릴 만한 개구 0.5 m의 빔폭은 다음과 같다.
| 주파수 | 250 Hz | 500 Hz | 1 kHz | 2 kHz | 4 kHz |
|---|---|---|---|---|---|
| 빔폭($\lambda/L_{ap}$) | 개구보다 파장이 길어 분해 불가 | 개구보다 파장이 길어 분해 불가 | 39° | 20° | 10° |
낮은 주파수일수록 멀리 가지만(흡수가 작다) 방향을 구분하기 어렵다. 그래서 기체 탑재 배열의 방향 추정은 수십 도 단위의 대략적 방위이고, 기체가 움직이며 여러 곳에서 잰 방위를 교차해 위치를 좁힌다. 교차의 기하는 전파 방향탐지와 같다(5.4.6). 이 장은 사람의 목소리를 식별하거나 특정인을 추적하는 처리는 다루지 않는다.
6.9.4 가스·화학 센서 — 검지 원리의 범주
6.9.4.1 원리별 비교
가스 센서는 "무엇을, 얼마나 낮은 농도까지, 얼마나 빨리, 다른 가스와 혼동되지 않고" 재는가로 고른다. 아래 값은 문헌과 제품 자료에서 흔히 보는 (경험 범위)이며 제품마다 다르다.
| 원리 | 주 대상 | 감도 | 응답 시간 $t_{90}$ | 선택성 | 함정 |
|---|---|---|---|---|---|
| 광이온화 검출기(PID) | 휘발성 유기화합물(이온화 에너지가 램프보다 낮은 것, 흔히 10.6 eV 램프) | ppb~수천 ppm | 수 초 | 낮음 — 총량만 잰다 | 습도·램프 오염, 메탄은 못 잰다 |
| 전기화학 | CO·H₂S·NO₂·SO₂·Cl₂·O₂ 등 특정 가스 | 0.1~수백 ppm | 15~60 s | 중간 — 교차 감도 | 온도·습도 의존, 수명 |
| 촉매 연소(펠리스터) | 가연성 가스의 폭발 하한 대비 % | %LEL | 10~20 s | 낮음 | 산소가 필요, 실리콘 등에 피독 |
| 비분산 적외선(NDIR) | CO₂·CH₄·탄화수소 | ppm~% | 수~수십 s | 높음 | 무게·전력 |
| 레이저 흡수 분광(TDLAS, 원격) | CH₄ 등 | ppm·m(경로 적분) | 1초 이하 | 매우 높음 | 땅이나 벽의 반사가 필요, 농도가 아니라 경로 적분 |
| 금속산화물 반도체(MOS) | 환원성 가스 전반 | ppm | 수~수십 s | 낮음 | 표류가 크다, 값싼 경보용 |
| 이온 이동도 분광(IMS) | 독성 산업 화학물질, 화학 작용제의 검지 | ppb급 (제품별) | 수~수십 s | 중간 | 오경보, 확인 분석 필요 |
| 광학 입자 계수 | PM2.5·PM10, 연기 | µg/m³ | 1초 안팎 | 크기만 | 높은 습도에서 과대 측정 |
| 생물 에어로졸(자외선 형광) | 생물 입자의 존재 | 입자 수 | 초~분 | 낮음 — 경보용 | 확인은 시료 채취와 실험실 분석 |
읽을 점은 셋이다. 첫째, 빠른 센서는 대개 덜 선택적이다. PID는 몇 초 안에 반응하지만 무엇인지는 말하지 않는다. 둘째, 원격 분광은 농도가 아니라 경로 적분값(ppm·m)을 준다. 메탄 누출 점검처럼 "어디서 새는가"를 찾는 데 강하고, 농도 지도로 바꾸려면 경로 길이와 분포의 가정이 들어간다. 셋째, 검지와 확인은 다른 단계다. 화생방 대응에서 현장 검지기의 경보는 시료를 채취해 실험실에서 확인하는 절차의 출발점이다(6.9.8).
6.9.4.2 응답 시간은 공간 해상도다
센서가 바뀐 농도의 90 %에 닿는 시간 $t_{90}$ 동안 기체는 $v\,t_{90}$만큼 간다. 그 거리보다 좁은 플룸은 뭉개져 낮은 농도로 보이고, 봉우리의 위치도 비행 방향으로 이동한다.
| $t_{90}$ | 1 s | 3 s | 15 s | 30 s | 60 s |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 m/s에서의 번짐 | 5 m | 15 m | 75 m | 150 m | 300 m |
| 13.9 m/s에서의 번짐 | 14 m | 42 m | 208 m | 417 m | 834 m |
전기화학 센서($t_{90}$ 수십 초)를 단 기체가 순항 속도로 플룸을 가로지르면 수백 m가 뭉개진다. 그래서 느린 센서로는 멈춰서 재거나 천천히 왕복하고, 빠른 센서(PID·분광)로 먼저 훑어 위치를 찾은 뒤 느리지만 선택적인 센서로 확인한다. 처리에서는 센서의 1차 응답을 역으로 풀어(역합성곱) 번짐을 일부 되돌릴 수 있지만 잡음이 커진다.
6.9.5 하강풍과 시료 — 플룸을 흐트러뜨리는 기체
결론부터: 2 kg 쿼드콥터의 로터는 디스크에서 약 6.3 m/s, 먼 후류에서 약 12.6 m/s로 공기를 민다. 지표 가까이의 약한 바람(수 m/s)보다 세다. 낮게 정지 비행하며 재면 기체가 재려는 플룸을 스스로 섞고 밀어낸다.
운동량 이론에서 정지 비행의 유도 속도는 로터 추력 $T$와 디스크 면적 $A$로 정해진다.
$$v_h=\sqrt{\frac{T}{2\rho A}},\qquad v_{\infty}=2v_h$$
2 kg 쿼드콥터(1.7.7.1의 기준 기체, 로터당 4.905 N, 지름 0.254 m, 디스크 하중 97 N/m²)에서 $v_h=6.29$ m/s다. 6 kg 결합형의 리프트 로터를 지름 0.40 m로 가정하면 디스크 하중 117 N/m²에서 6.91 m/s다. 디스크 하중이 같으면 기체 크기와 무관하게 유도 속도가 같다. 큰 기체라고 하강풍이 약해지지 않고 오히려 영향 범위가 넓어진다.
시료를 덜 흐트러뜨리는 방법은 넷이다.
- 흡입구를 로터 위나 앞쪽 긴 붐에 둔다. 동체 아래는 후류 속이라 위쪽의 깨끗한 공기와 섞인 시료를 받는다. 로터 위도 로터가 빨아들이는 흐름 속에 있지만 덜 섞인다
(문헌 경향, 확인 필요). - 전진 비행으로 잰다. 전진 속도가 유도 속도에 견줄 만해지면 후류가 뒤로 기울어 기체 앞의 공기는 덜 교란된다. 고정익은 이 점에서 유리하다.
- 높이를 둔다. 낮게 뜨면 후류가 땅에 닿아 옆으로 퍼진다(지면 퍼짐). 지표 누출원 바로 위에서 정지 비행하면 플룸이 옆으로 밀려나 오히려 낮게 잰다.
- 흡입관이나 시료 채취를 사용한다. 긴 관을 늘어뜨려 펌프로 빨아들이면 지표 가까이의 공기를 직접 받는다. 관 안의 지연(관 길이÷유속)과 벽 흡착을 보정한다.
하강풍은 반대로 쓰일 때도 있다. 정지 비행으로 연기나 증기를 의도적으로 섞어 센서 쪽으로 유도하는 운용도 있으나, 이 경우 측정값은 원래 농도가 아니라 섞인 농도다. 보고서에는 비행 방식을 함께 적어야 비교가 가능하다.
6.9.6 방사선 측정 — 역제곱과 공기 감쇠
6.9.6.1 결론과 식
결론부터: 점 선원의 계수율은 거리의 제곱에 반비례하고, 그 위에 공기가 지수 감쇠를 가산한다. 662 keV(Cs-137)의 감마선은 공기 속 평균 자유 행로가 106 m라서 수십 m 아래에서는 역제곱이 지배한다. 낮게 날수록 압도적으로 유리하다. 고도를 30 m에서 10 m로 낮추면 계수율이 약 11배로 는다.
검출기가 광전 피크(산란되지 않고 들어온 광자)만 센다고 두면 계수율은 다음이다.
$$C(r)=\frac{A_{\mathrm{eff}}\,S\,Y\,e^{-\mu r}}{4\pi r^{2}},\qquad \mu=\left(\frac{\mu}{\rho}\right)\rho_{\text{air}}$$
| 기호 | 뜻 | 이 장의 교육용 가정 |
|---|---|---|
| $A_{\mathrm{eff}}$ | 검출기 면적×광전 피크 효율 | 5 cm²(2"×2" NaI(Tl)급의 어림) |
| $S$ | 선원의 방사능 | 0.1 GBq(100 MBq) |
| $Y$ | 붕괴당 감마선 방출 비율 | Cs-137 662 keV 0.851, Am-241 59.5 keV 0.359 |
| $\mu/\rho$ | 공기의 질량 감쇠 계수 | NIST 표: 0.06 MeV 0.1875, 0.6 MeV 0.08055, 0.8 MeV 0.07074 cm²/g(1차 확인). 0.662 MeV는 로그 보간으로 0.0771 |
| $\rho_{\text{air}}$ | 공기 밀도 | 1.225 kg/m³(해면 표준대기) |
| 배경 | 광전 피크 창의 배경 계수율 | 3 cps |
넓은 창으로 모든 광자를 세면 공기에서 산란된 광자가 더해져(축적) 감쇠가 이 식보다 약하게 보인다. 핵종을 구분하려면 에너지 창을 사용해야 하므로 이 장은 광전 피크만 센다.
| 고도 | 10 m | 20 m | 30 m | 50 m | 100 m |
|---|---|---|---|---|---|
| 역제곱만 [cps] | 33.9 | 8.47 | 3.76 | 1.35 | 0.34 |
| 공기 감쇠 포함 [cps] | 30.8 | 7.01 | 2.83 | 0.84 | 0.13 |
| 감쇠 배율 | 0.910 | 0.828 | 0.753 | 0.624 | 0.389 |
6.9.6.2 고도와 속도의 교환
한 번 지나가며 모은 계수가 판정의 단위다. 최근접 거리 $d$의 직선 통과에서 가장 가까운 구간($\pm d$)의 계수는 대략 $1/(dv)$에 비례하고, 같은 구간의 배경 계수는 $d/v$에 비례한다. 그래서 신호 대 잡음비는 다음처럼 움직인다.
$$\frac{N_s}{\sqrt{N_b}}\ \propto\ \frac{e^{-\mu d}}{d^{3/2}\,v^{1/2}}$$
고도는 1.5제곱으로, 속도는 0.5제곱으로 듣는다. 속도를 절반으로 줄이는 것보다 고도를 절반으로 줄이는 것이 1.4배 남짓에 대해 2.8배로 훨씬 크다. 반면 빨리 날면 같은 면적을 빨리 커버한다. 그래서 탐색은 가능한 한 낮게, 탐지가 성립하는 한 빠르게 난다. 낮은 고도는 장애물과 지형 추종의 위험(7.1)과 맞바꾼다.
6.9.6.3 검출기의 범주
| 검출기 | 하는 일 | 장점 | 한계 |
|---|---|---|---|
| GM 계수관 | 선량률(총 계수) | 가볍고 싸다 | 에너지 정보가 없어 핵종을 식별하지 못한다. 효율이 낮다 |
| 섬광체 NaI(Tl)·CsI(Tl) | 감마 분광(핵종 식별) | 효율이 높고 큰 결정을 낮은 비용으로 제작할 수 있다 | 에너지 분해능 662 keV에서 6~7 % 안팎 (경험 범위), 무겁다 |
| LaBr₃(Ce)·CeBr₃ | 감마 분광 | 분해능 3 % 안팎 (경험 범위) | 비싸다. LaBr₃는 자체 방사능이 있다 |
| CZT(상온 반도체) | 감마 분광 | 분해능이 좋고 작다 | 결정이 작아 효율이 낮다 |
| 중성자 검출기 | 중성자 계수 | 핵분열성 물질의 단서 | He-3 관의 공급 제약과 대체 기술 (확인 필요) |
공중 방사선 측정은 땅의 자연 방사선(칼륨·우라늄·토륨 계열)과 라돈의 변화가 배경을 바꾼다. 비가 오면 라돈 자손이 씻겨 내려 배경이 오른다 (일반 경향). 고도가 바뀌면 땅의 배경 기여도 바뀌므로, 지도를 만들 때는 고도 보정과 배경 모형을 함께 적는다. 공중 감마선 측정 자료 처리의 지침으로는 IAEA-TECDOC-1363(2003)이 있다.
6.9.7 기상 센서 — 공기를 재는데 기체가 공기를 바꾼다
6.9.7.1 무엇을 어디에 두는가
| 양 | 대표 센서 | 기체가 만드는 오차 | 줄이는 방법 |
|---|---|---|---|
| 기온 | 백금 저항·서미스터·미세 열전대 | 모터·배터리 열, 일사 가열, 후류의 단열 압축과 섞임 | 로터 위 흡입 흐름이나 앞쪽 붐, 복사 차폐, 환기 |
| 습도 | 정전용량형 박막 | 느린 응답(추울수록 느리다), 일사 가열에 따른 상대습도 오차 | 기온 센서와 같은 자리, 응답 보정 |
| 기압 | MEMS 기압계 | 후류와 기체 주위의 동압(2.8.4) | 정압 포트 위치, 기압 고도와의 분리 |
| 바람 | 초음파 풍속계, 다공 압력 탐침, 기체 자세로 추정 | 후류와 기체 주위 흐름, 저풍속 추정의 한계 | 마스트 높이, 추정과 직접 측정의 결합(2.8.7.2·2.8.10) |
다중로터에서 기온·습도 센서를 동체 아래에 두면 로터가 섞은 공기를 잰다. 로터 위 흡입 흐름 속에 두면 기체 위쪽의 아직 섞이지 않은 공기를 잰다는 연구가 있다 (문헌 경향, 확인 필요). 고정익은 앞쪽 흐름 속에 두면 되지만 순항 속도의 동적 가열을 보정해야 한다.
6.9.7.2 응답 지연은 수직 해상도다
센서의 시간 상수 $\tau$ 동안 기체가 상승 속도 $w$로 오르면 측정은 $w\tau$만큼 아래의 값을 지연 반영한다. 기온 감률이 $\Gamma$이면 지연 오차는 $\Gamma w\tau$다.
| 시간 상수 $\tau$ | 0.5 s | 2 s | 5 s | 20 s |
|---|---|---|---|---|
| 수직 번짐(상승 3 m/s) | 1.5 m | 6.0 m | 15 m | 60 m |
| 기온 지연 오차(감률 6.5 K/km) | 10 mK | 39 mK | 98 mK | 390 mK |
표준 감률에서는 지연 오차가 작다. 그러나 역전층에서는 다르다. 100 m에 5 K 오르는 역전층을 $\tau$ 5 s 센서로 3 m/s로 지나면 0.75 K가 어긋나고, 역전층의 두께도 15 m만큼 두꺼워 보인다. 습도 센서의 시간 상수는 낮은 기온에서 수십 초로 길어져 이 효과가 더 크다 (경험 범위). 그래서 대기 경계층 관측은 천천히 오르거나, 오를 때와 내릴 때를 함께 재어 지연을 추정한다.
6.9.7.3 바람과 기상 관측 드론의 용도
바람은 기체의 기울기·항력으로 추정하거나(2.8.7.2), 대지속도와 대기속도의 차로 구하거나(2.8.10), 마스트 위 초음파 풍속계로 직접 잰다. 2.8.7.2는 2 kg 쿼드콥터의 기울기 추정이 풍속 3 m/s 아래에서 쓸모가 없다는 것을 보였다. 저풍속의 정밀한 바람이 필요한 관측에는 직접 측정이 필요하다.
기상 관측 드론의 용도은 대기 경계층의 연직 분포(지상 관측소와 존데 사이의 빈칸), 국지 기상(버티포트·산불 현장·공항 주변의 바람), 그리고 관측 자료의 수치 예보 동화 연구다. 세계기상기구(WMO)도 무인기 기상 관측을 시험하는 활동을 벌여 왔다 (활동명·시기 확인 필요). 관측의 표준 방법은 WMO-No. 8(관측 기기와 방법 지침)이 정하며, 무인기 관측이 공식 관측으로 사용되려면 이 기준과의 비교 검증이 필요하다. 저고도 기상 서비스의 제도는 14.21이 다룬다.
6.9.8 시료 채취 — 들고 와서 확인한다
현장 센서의 값은 경보이고, 확정은 실험실이 한다. 그래서 시료 채취가 특수 센서의 짝이다.
- 가스. 진공 용기나 시료 주머니에 공기를 채운다. 밸브를 원격으로 열고 닫으며 채취 위치와 시각을 함께 기록한다.
- 물. 줄에 매단 병이나 펌프로 수면과 일정 깊이의 물을 뜬다. 무게가 기체의 하중을 바꾸므로 외부 하중 운송의 요건을 따른다(14.19).
- 입자. 필터에 공기를 통과시켜 입자를 모은다. 펌프 유량과 시간으로 부피를 정한다.
- 표면. 닦개(스왑)나 흙을 긁어 저장하는 장치. 기체가 땅 가까이에 가야 하므로 하강풍이 시료를 날린다.
시료가 법적 증거나 공식 판정에 사용되면 보관 사슬(chain of custody)이 필요하다. 누가 언제 어디서 채취하고 봉인했는지, 운반과 인계의 기록이 끊기지 않아야 한다. 오염 지역에서 돌아온 기체는 그 자체가 오염원이므로 제독과 격리의 절차가 있어야 한다. 유해 시료를 싣고 나는 것은 위험물 운송의 문제다(14.19).
6.9.9 센서의 설치와 간섭 — 공통 체크리스트
| 항목 | 질문 | 이어지는 장 |
|---|---|---|
| 자리 | 후류·소음·열의 영향 밖인가 | 6.9.3·6.9.5·6.9.7 |
| 진동 | 마이크와 검출기의 진동 잡음, 광학 정렬 | 1.29.5 |
| 전자기 | 모터·ESC의 간섭이 계측 회로에 들어오는가 | 8.10 |
| 시각과 위치 | 측정값에 정확한 시각·위치·고도·자세가 붙는가 | 6.10·9.17 |
| 전력·무게 | 펌프·히터·냉각이 체공을 얼마나 깎는가 | 2.9.8·6.1 |
| 보정 | 비행 전후 보정과 기준 가스·선원의 관리 | 6.9.14 |
6.9.10 수치 예시·워크스루 — 산업 단지 사고 뒤의 측정 비행
과제. 산업 단지에서 화재가 난 뒤, ① 남은 유독 가스의 분포를 확인하고 ② 분실 신고된 계측용 Cs-137 선원(0.1 GBq 가정)을 500 m×500 m 구역에서 찾는다. 기체는 2 kg 쿼드콥터(체공 18.1분, 2.9.8)와 6 kg 결합형(순항 13.9 m/s, 115분)이다. 모든 값은 교육용 가정이다.
- 가스 — 센서와 속도. 전기화학 CO·H₂S 센서는 $t_{90}$ 30 s로 두고, PID는 3 s로 둔다. 5 m/s로 날면 번짐이 각각 150 m와 15 m다. 그래서 PID로 먼저 훑어 높은 곳을 찾고, 그 자리에서 정지 비행하며 전기화학 센서로 30 s 이상 잰다.
- 가스 — 하강풍. 2 kg 쿼드콥터의 유도 속도 6.3 m/s는 현장 바람 2 m/s보다 세다. 흡입구를 앞쪽 붐에 두고 정지 비행 높이를 누출원 위 5 m 이상으로 잡는다. 보고서에는 "정지 비행, 앞쪽 붐 흡입"을 적는다.
- 방사선 — 계수율. 바로 위 계수율은 10 m에서 30.8 cps, 30 m에서 2.83 cps로 배경(3 cps)보다 약하다.
- 방사선 — 판정 규칙. 최근접 구간의 계수가 배경 계수의 표준편차의 3배를 넘으면 경보로 둔다. 5 m/s·10 m에서 바로 위 통과의 신호 대 잡음비는 27.6, 13.9 m/s·10 m에서 16.6이다.
- 방사선 — 줄 간격. 이 규칙이 성립하는 옆 거리는 5 m/s·10 m에서 35.1 m, 13.9 m/s·10 m에서 25.7 m다. 줄 간격을 그 두 배로 잡으면 각각 70 m(8줄)와 51 m(10줄)다.
| 속도·고도 | 바로 위 SNR | 탐지 옆 거리 | 줄 수 | 비행 거리 | 탐색 시간(선회 제외) |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 m/s·10 m | 27.6 | 35.1 m | 8 | 4.0 km | 13.3분 |
| 5 m/s·20 m | 8.8 | 30.5 m | 9 | 4.5 km | 15.0분 |
| 5 m/s·30 m | 4.3 | 20.7 m | 13 | 6.5 km | 21.7분 |
| 13.9 m/s·10 m | 16.6 | 25.7 m | 10 | 5.0 km | 6.0분 |
| 13.9 m/s·20 m | 5.3 | 19.0 m | 14 | 7.0 km | 8.4분 |
| 13.9 m/s·30 m | 2.6 | 탐지 불가 | — | — | — |
- 기체 선택. 2 kg 쿼드콥터는 5 m/s·10 m의 13.3분이 체공 18.1분 안에 들지만 선회와 확인 비행의 여유가 적다. 6 kg 결합형은 13.9 m/s·10 m로 6.0분이면 커버한다. 다만 10 m 고도의 순항은 장애물 회피와 지형 추종이 전제다.
- 오경보. 10 m 고도의 판정 구간은 약 20 m라서 5 km 비행에 250개쯤이다. 3σ 단측 문턱(정규 근사 0.135 %)이면 한 번의 탐색에 가짜 경보가 0.3번꼴이다. 경보 자리는 정지 비행으로 다시 재어 확인한다. 계수가 작은 영역에서는 포아송 분포가 정규 근사와 달라 이 수는 어림이다.
- 후속. 경보 자리에서 고도를 낮추고 여러 방향에서 재어 계수율의 최대점을 찾는다. 선원의 회수는 방사선 안전 담당 기관의 절차를 따른다(6.9.14).
결론: 이 과제의 지배 변수는 고도다. 30 m에서는 13.9 m/s로 아예 탐지가 안 되고, 10 m로 내리면 빠르게 날아도 6분에 커버한다. 가스 측정의 지배 변수는 센서 응답 시간과 하강풍이며, 빠른 센서로 찾고 느린 센서로 확인하는 2단계가 필요하다.
6.9.11 설계 트레이드오프 — 어디에 두고 어떻게 날 것인가
플랫폼. ① 다중로터는 정지 비행으로 한 점을 오래 잰다. 대신 하강풍과 소음이 크다. ② 고정익은 후류가 뒤로 가서 앞쪽 공기가 깨끗하고 조용하지만, 멈추지 못하고 느린 센서와 맞지 않는다. ③ 하이브리드 VTOL은 둘을 잇지만 무게와 값이 든다.
측정 방식. ① 현장 연속 측정은 지도를 빨리 만든다. ② 정지 측정은 느린 센서의 정확도를 살린다. ③ 시료 채취는 확정 판정을 준다. 실제 대응은 셋을 순서대로 사용한다.
원격 대 접촉. 원격 분광(메탄 TDLAS)·감마 분광은 멀리서 넓게 보지만 경로 적분이나 거리 감쇠의 해석이 든다. 접촉식 센서는 해석이 단순하지만 기체가 플룸 속에 들어가야 한다.
견해: 소방·재난 기관의 범용 기체에 특수 센서를 붙일 때는 "센서 하나를 오래 재는" 다중로터와 "빨리 훑는" 기체를 나누는 것보다, 빠른 비선택 센서(PID·광학 입자·GM)로 훑고 정지 비행으로 확인하는 2단계 운용을 표준으로 두는 편이 합리적이라고 본다. 근거는 셋이다. 첫째, 응답 시간이 공간 해상도를 정하므로(6.9.4.2) 느린 센서로는 지도를 만들 수 없다. 둘째, 방사선 탐색은 고도가 지배해(6.9.6.2) 낮게 빨리 훑는 쪽이 이긴다. 셋째, 경보의 확정은 어차피 시료와 실험실이 한다. 반대로 대기 경계층 관측처럼 측정값 자체가 산출물인 경우에는 센서 자리와 비행 방식의 표준화가 먼저다. 이 판단은 기관의 기체 수와 대응 절차에 민감하다.
6.9.12 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 대표 센서 | 화생방 검지기(IMS 등), 감마 분광, 음향, 기상 | PID·전기화학·NDIR·TDLAS, 입자 계수, 감마 분광, 기상 | 배터리 가스·수소 누출 감지, 국지 기상 |
| 측정의 목적 | 오염 지역의 경계와 위험 경보 | 누출 점검, 대기질, 사고 대응, 관측 연구 | 기체 안전과 운항 판단 |
| 핵심 지표 | 탐지 시간, 오경보, 기체의 제독 | 측정 정확도와 재현성, 보고 형식 | 인증된 신뢰성, 미경보 확률 |
| 기체가 만드는 문제 | 하강풍·제독·방호 | 하강풍·자체 소음·열 | 센서 위치와 경보 논리 |
| 이어지는 장 | 10.3·10.19 | 14.4·14.7·14.9·16.19 | 15.5·14.21 |
6.9.13 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
| ISO 9613-1 | ISO | 대기의 음향 흡수 계수(6.9.3의 계산) | 1.31.5 |
| IEC 60079 계열 | IEC | 폭발성 분위기의 전기 기기(방폭). 폭발 위험 장소 안의 비행과 가연성 가스 검지기 성능(60079-29 계열)에 걸린다 (부 번호·판 확인 필요) | 14.4 |
| EN 45544 계열 | CEN·CENELEC | 독성 가스 검지기의 성능 요건 (판 확인 필요) | 14.4 |
| ANSI N42.33·N42.34 | ANSI·IEEE | 휴대용 방사선 검출기와 핵종 식별기의 성능 (판 확인 필요) | 14.7 |
| IAEA-TECDOC-1363(2003) | IAEA | 감마선 분광 자료로 방사성 원소 지도를 만드는 지침(공중 측정 포함) | 14.9 |
| WMO-No. 8 | WMO | 기상 관측 기기와 방법의 지침 (판 확인 필요) | 14.21 |
| NFPA 2400 | NFPA | 공공 안전용 소형 무인기 운용(위험물 대응 포함) (판 확인 필요) | 14.7 |
유료 규격은 공개 요약의 범위에서만 다뤘다. 측정값의 메타데이터와 형식은 9.17가 다룬다.
6.9.14 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 대상 | 요구 | 이 장과의 연결 | 상세 |
|---|---|---|---|
| 녹음 | 한국 「통신비밀보호법」은 공개되지 않은 타인 간의 대화를 녹음하거나 청취하는 것을 금지한다 (조문 확인 필요). 기체 마이크가 사람의 대화를 담으면 이 규율에 걸릴 수 있다 | 음향 센서(6.9.3) | 18.17 |
| 방사선원 | 방사성 동위원소의 사용·이동·보관은 허가와 신고의 대상이다. 보정용 선원을 싣는 것도 포함될 수 있다 (국내 법령 확인 필요) | 방사선 측정(6.9.6) | 14.7 |
| 위험물·시료 운송 | 유해 시료·보정 가스를 싣는 비행은 위험물 운송의 규율을 받는다 | 시료 채취(6.9.8) | 14.19 |
| 폭발 위험 장소 | 가연성 가스가 있을 수 있는 장소에서 비방폭 기체의 비행은 점화원 문제를 일으킨다 (사업장 규정 확인 필요) | 누출 점검 | 14.4 |
| 재난 현장 비행 | 사고 현장 상공의 비행 제한과 공공기관 비행의 특례 | 워크스루(6.9.10) | 18.19·14.7 |
| 기상 관측 자료 | 공식 관측으로 사용하려면 관측 표준과 검증을 따른다 (국내 법령 확인 필요) | 기상 센서(6.9.7) | 14.21 |
| 수출통제 | 화학·생물 검지 장비와 일부 방사선 검출 장비는 통제 목록에 있을 수 있다 (항목 확인 필요) | 화생방 센서 | 19.15 |
6.9.15 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "드론에 마이크를 달면 실종자 목소리를 듣는다" | 로터 옆 마이크는 87 dB 안팎의 자체 소음 속에 있다. 외침은 수 m 밖에서도 놓친다 | 6.9.3.2 |
| "센서 값이 곧 그 자리의 농도다" | 하강풍이 섞고 밀어낸 농도이고, 응답 시간만큼 번진 값이다 | 6.9.4.2·6.9.5 |
| "큰 기체는 하강풍이 약하다" | 디스크 하중이 같으면 유도 속도도 같다. 영향 범위는 더 넓다 | 6.9.5 |
| "높이 날아도 방사선은 잘 보인다" | 역제곱에 공기 감쇠가 가산되어 고도의 1.5제곱으로 판정력이 준다 | 6.9.6.2 |
| "PID 경보면 그 물질이다" | PID는 총량만 잰다. 확인은 선택적 센서와 시료 분석으로 한다 | 6.9.4.1 |
| "기온 센서는 어디에 달아도 같다" | 모터 열·일사·후류가 오차를 만들고, 지연이 역전층을 뭉갠다 | 6.9.7 |
이 장의 한계도 밝혀 둔다.
- 음향 모형은 자유음장 점음원이다. 근거리장·로터 소음의 방향성과 스펙트럼, 흐름 잡음, 지면 반사를 넣지 않았다. 외침과 호루라기의 레벨은 가정이다.
- 하강풍은 운동량 이론의 이상값이다. 실제 후류는 소용돌이·합류·지면 효과로 복잡하며, 흡입구 자리의 효과는 문헌 경향으로만 적었다.
- 방사선 모형은 광전 피크의 점 선원이다. 검출기의 방향 의존, 선원의 차폐, 지형, 배경의 공간 변화를 넣지 않았고, 판정은 정규 근사다.
- 센서 성능은 경험 범위다. 감도·응답 시간·분해능은 제품과 조건에 따라 크게 다르다.
6.9.16 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 마이크 자리의 자체 소음이 76 dB에서 66 dB로 낮아지면 탐지 거리가 몇 배가 되는가(흡수 무시)?
- 배열 이득이 $10\log_{10}N$보다 작아지는 이유를 로터 소음의 성질로 설명하라.
- $t_{90}$ 30 s의 센서를 단 기체가 10 m/s로 날 때 공간 번짐은 얼마이며, 이를 줄이는 운용 두 가지는?
- 로터당 추력 4.905 N, 지름 0.254 m의 유도 속도를 구하고, 디스크 하중이 같은 큰 기체의 유도 속도가 어떻게 되는지 말하라.
- Cs-137 점 선원 바로 위에서 고도를 30 m에서 10 m로 낮추면 계수율이 몇 배가 되는가(공기 감쇠 포함)?
- 시간 상수 5 s의 기온 센서로 3 m/s 상승하며 역전층(100 m에 5 K)을 지날 때의 지연 오차를 구하라.
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 기체 탑재 음향 탐색의 성능 평가 — 수색구조에서 자체 소음 제거와 배열 처리의 탐지 확률·오경보를 어떤 표준 시나리오로 비교하는가?
- 하강풍 보정 — 다중로터가 잰 가스 농도를 원래 농도로 되돌리는 보정 모형을 전산유체역학과 시험으로 만들 수 있는가?
- 공중 방사선 탐색의 최적 경로 — 고도·속도·줄 간격과 장애물 위험을 함께 놓고 탐지 확률당 시간을 최소로 하는 경로는 무엇인가?
- 무인기 기상 관측의 공식화 — 센서 자리·비행 방식·보정 절차를 표준화해 관측 자료로 동화할 수 있는 품질을 어떻게 입증하는가(14.21)?
1차 출처(이 장)
- NIST, X-Ray Mass Attenuation Coefficients — Air, Dry (Near Sea Level) 표(physics.nist.gov).
- ISO 9613-1, Acoustics — Attenuation of sound during propagation outdoors — Part 1: Calculation of the absorption of sound by the atmosphere.
- IAEA-TECDOC-1363, Guidelines for radioelement mapping using gamma ray spectrometry data, IAEA, 2003.
- Knoll, G. F., Radiation Detection and Measurement, 4th ed., Wiley, 2010.
- Leishman, J. G., Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed., Cambridge University Press, 2006(운동량 이론).
- WMO-No. 8, Guide to Instruments and Methods of Observation
(판 확인 필요). - IEC 60079 계열, EN 45544 계열, ANSI N42.33·N42.34, NFPA 2400
(판 확인 필요).
출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.
다음 장: 6.10에서 영상 속 한 점의 지상 좌표를 구한다. 기체 위치·자세·짐벌 각·시선·지형 교차로 이어지는 좌표 변환 사슬과 그 오차 예산을 세우고, 이 장의 측정값에 붙는 위치 정보가 얼마나 정확한지도 같은 틀로 읽는다.