제5부 전자전·레이더·시그니처

5.6 시그니처 관리: 레이더 반사 면적·적외선·음향·시각 — 저피탐의 원리

5.6.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

시그니처(signature)는 비행체가 센서에 남기는 물리적 흔적이다. 레이더에는 반사로, 적외선 센서에는 열복사로, 귀와 마이크에는 소리로, 눈과 카메라에는 크기·대비·움직임으로 남는다. 스스로 내는 전파와 빛도 흔적이다. 앞 장(5.5)이 이 흔적을 읽는 쪽에서 레이더를 봤다면, 이 장은 남기는 쪽에서 네 영역을 함께 놓고 각 흔적이 어떤 물리로 정해지며 거리에 따라 어떻게 다르게 줄어드는지를 작성한다.

배우는 것:

• 네 시그니처와 거리 법칙 — 왕복하는 레이더는 $R^{4}$, 편도인 수동 탐지는 $R^{2}$, 화소로 보는 카메라는 크기에 비례한다. 같은 10 dB가 거리를 다르게 줄이는 이유.
• RCS의 원리 — 도체 구의 Mie 급수로 본 레일리·공진·광학 영역, 그리고 형상(정반사·모서리·공동)과 재료(금속·탄소섬유·유전체).
• 소형 무인기의 RCS를 정하는 부품 — 배터리·모터·배선·프레임·안테나.
• 적외선 시그니처 — 플랑크 법칙의 대역 적분, 전기·내연·연료전지 추진의 차이, 점 표적의 탐지 거리.
• 음향·시각·방사 — 1.31·2.14.8·5.4과의 연결.
• 저피탐의 원리 범주와 대가 — 무게·비용·성능·정비, 그리고 민간과 AAM에서 시그니처가 갖는 다른 뜻(소음·시각 공해·수용성, 보이게 할 의무).

선수 지식: 레이더 방정식과 RCS의 측정 범위는 5.5(5.5.3·5.5.5), 로터 소음과 음향 탐지 거리는 1.31(1.31.9·1.31.11), 발열원은 1.25.3, 열영상의 대비와 NETD는 4.11.5, 카메라 탐지 거리는 2.14.8, 복합재는 1.27, 추진 방식은 1.20·1.23·1.24다. 기준 기체는 2 kg 쿼드콥터(1.7.7)다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 5.6.3~5.6.5와 5.6.9의 계산을 본다. 군 획득·생존성 평가 담당자는 5.6.9·5.6.10에서 시그니처 요구를 숫자로 세우는 법을 보고 5.8로 잇는다. 민간·AAM의 정책·사업 담당자는 5.6.11과 5.6.12가 소음·등화·Remote ID처럼 시그니처를 오히려 드러내야 하는 제도를 정리한다.

기준 시점과 정직성·범위. 이 장은 2026년 10월을 기준으로, 지식은 2026년 중반까지 반영했다. 수치 예시는 모두 일반적 모형의 교육용 가정이며 특정 기체나 센서의 성능이 아니다. 계산은 파이썬(표준 라이브러리 math)으로 했다. RCS는 공개 측정 논문의 (경험 범위)를, 온도는 가정을 사용했고 출처의 성격을 붙였다. 이 장은 물리 원리의 범주와 그 대가까지만 작성한다. 특정 레이더·센서·대드론 체계를 피하는 설계나 절차, 특정 체계에 맞춘 대응 설계, 군용 저피탐 재료·형상의 세부 사양은 작성하지 않는다(BK-04).

5.6.2 개념·직관 — 보이는 방식은 넷, 거리 법칙은 셋

센서가 표적을 알아채는 길은 네 가지 물리다. 전파의 반사(레이더), 열의 복사(적외선), 공기의 진동(음향), 빛의 대비(시각)다. 여기에 표적이 스스로 내는 전파와 빛(방사)이 더해진다. 탐지는 한 단계가 아니다. 있다는 것을 알아채는 탐지, 무엇인지 아는 분류, 누구인지 아는 식별이 차례로 이어지고(11.1), 뒤 단계일수록 더 큰 신호가 필요하다.

결론부터: 시그니처를 같은 비율로 줄여도 탐지 거리는 같은 비율로 줄지 않는다. 거리 법칙이 다르기 때문이다.

대기의 흡수와 소광은 모든 방식에 지수 항을 더한다. 그러면 같은 10 dB가 거리를 덜 줄인다(5.6.9의 그림).

세 축에서 시그니처의 뜻은 다르다. 군용 드론에게 시그니처는 생존성이다. 늦게 들킬수록 임무를 수행할 시간이 늘어난다(5.8). 민간 UAS에게 시그니처는 소음 민원·사생활 불안·시각 공해이며, 동시에 법은 보이게 하라고 요구한다(등화와 Remote ID). AAM에게 시그니처는 소음 인증과 도심 수용성이고, 충돌을 막으려 눈에 띄어야 한다.

5.6.3 RCS의 원리 — 크기와 파장의 비

5.6.3.1 세 영역 — 도체 구로 보기

결론부터: RCS는 물체의 크기와 파장의 비가 정하는 세 영역으로 나뉜다. 둘레가 파장보다 훨씬 작으면(레일리 영역) RCS는 크기와 주파수의 네제곱에 비례해 급히 작아진다. 둘레가 파장과 비슷하면(공진 영역) 출렁이며 기하 면적보다 커질 수도 있다. 파장보다 훨씬 크면(광학 영역) 형상과 기하 면적이 정한다.

반지름 $a$인 완전 도체 구는 이 세 영역을 한 곡선에 보여 주는 표준 예다. $k=2\pi/\lambda$, $x=ka$(둘레 ÷ 파장)라 하면 모노스태틱 RCS는 Mie 급수로 정확히 계산된다.

$$\frac{\sigma}{\pi a^{2}}=\frac{1}{x^{2}}\left\lvert\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n}(2n+1)\,(a_n-b_n)\right\rvert^{2},\qquad a_n=\frac{j_n(x)}{h_n^{(1)}(x)},\quad b_n=\frac{\left[x\,j_n(x)\right]'}{\left[x\,h_n^{(1)}(x)\right]'}$$

이 장은 급수를 표준 라이브러리로 직접 합했다($j_n$은 하향 재귀, 항 수는 $x+4x^{1/3}+4$). 극한이 맞는지로 검산했다. $ka=0.1$에서 레일리 근사 $\sigma=9\pi a^{2}(ka)^{4}$와 일치하고, 최댓값은 $ka\approx1.03$에서 기하 면적의 3.65배이며, $ka=50$에서 0.996으로 기하 면적에 수렴한다.

부품을 구로 이상화해 대역별 RCS를 계산하면 영역의 뜻이 보인다(dBsm, 괄호는 $ka$).

같은 3 cm 부품이 1.3 GHz에서는 광학값보다 6 dB 작고 3 GHz에서는 5 dB 크다. 작은 부품은 낮은 주파수에서 거의 사라지고, 공진 근처에서는 오히려 커진다. 5.5.5가 "L·S대역에서는 측정 경향이 깨질 수 있다"고 사용한 이유다. 광학 영역에서는 주파수와 거의 무관해진다. 소형 무인기의 몸통이 24~94 GHz에서 비슷한 RCS를 보인 측정(Rahman·Robertson, 2019)과 맞는다.

5.6.3.2 형상 — 정반사·모서리·공동·가장자리

광학 영역에서는 RCS가 몇 개의 강한 산란점의 합이다. 산란점의 종류는 넷이다.

• 정반사. 레이더를 정면으로 마주한 평평한 면은 거울처럼 되돌린다. 면적 $A$인 평판의 수직 입사 RCS는 $\sigma=4\pi A^{2}/\lambda^{2}$이고, 반사 엽의 폭은 대략 $\lambda/L$ 라디안이다($L$은 판의 길이). 10 cm × 4 cm 판은 3 GHz에서 −17.0 dBsm(엽폭 약 57°), 9.5 GHz에서 −6.9 dBsm(약 18°), 35 GHz에서 +4.4 dBsm(약 4.9°)이다. 작은 판 하나가 정면에서는 기체 전체의 평균(5.5.5)보다 크다. 측정 분포의 긴 꼬리와 최댓값이 이런 순간에서 나온다.
• 모서리. 직각으로 만난 두 면이나 세 면은 들어온 전파를 넓은 각도에서 온 방향으로 되돌린다. 한 변 $a$인 삼면 모서리 반사체는 $\sigma=4\pi a^{4}/(3\lambda^{2})$이고, 5 cm이면 9.5 GHz에서 −15.8 dBsm이다. 프레임과 장착대가 만드는 안쪽 직각이 이런 구조가 될 수 있다.
• 공동. 덕트·흡기구·냉각 구멍처럼 안이 열린 구조는 여러 번 튄 전파를 입구 방향으로 내보낸다. 덕티드 팬(1.3.8)과 엔진 흡기가 예다.
• 가장자리와 불연속. 날개 끝·틈새·나사 머리의 회절은 약하지만, 큰 산란점을 줄이고 나면 남는 하한이 된다.

형상으로 RCS를 줄이는 원리는 하나다. 정반사와 모서리 반사가 관측될 방향으로 향하지 않게 하는 것이다. 이는 관측 방향을 어느 정도 가정할 수 있을 때 효과가 있고, 공력과 구조의 요구와 부딪친다. 사방에서 보일 수 있는 소형 기체에는 효과가 제한된다.

5.6.3.3 재료 — 도체·탄소섬유·유전체·흡수

• 금속은 거의 완전한 반사체다.
• 탄소섬유 복합재(CFRP)는 섬유가 전기를 통해 마이크로파에서 금속에 가깝게 반사한다(방향에 따라 다르다). Semkin 등(2020)은 탄소섬유 기체의 평균 RCS가 플라스틱 기체보다 약 7 dB 높다고 측정했다. 구조 재료의 선택(1.27)이 곧 RCS의 선택이다.
• 유리섬유·플라스틱·발포재는 유전체라 전파의 상당 부분을 통과시킨다. 그러면 껍데기가 아니라 안의 금속 부품이 RCS를 정한다(5.6.4).
• 흡수는 들어온 전파를 손실이 있는 재료에서 열로 바꾸는 범주다. 교과서는 두 갈래로 나눈다. 하나는 두께가 파장의 4분의 1 근처에서 반사가 상쇄되는 공진형으로 얇지만 대역이 좁다. 다른 하나는 성질을 두께 방향으로 서서히 바꾸는 광대역형으로 두껍다. 어느 쪽이든 낮은 주파수일수록 두껍고 무거워진다. 무게·두께·날씨와 마모에 대한 내구성·수리성이 대가다(5.6.10). 이 책은 재료의 조성과 사양을 다루지 않는다.

5.6.4 소형 무인기의 RCS를 정하는 요소

결론부터: 소형 무인기의 RCS는 "작은 기체"가 정하는 것이 아니라 몇 개의 금속 부품이 정한다. 플라스틱 기체에서는 배터리가 가장 큰 반사체였고(Semkin 등, 2020), 탄소섬유 기체에서는 프레임이 그 위에 더해졌다. 부품마다 전기적 성질과 크기가 달라 영역도 다르다.

배선의 공진은 낮은 대역에서 중요할 수 있다. 반파장 길이의 가는 도선이 옆으로 놓여 편파가 맞으면 RCS가 약 $0.86\lambda^{2}$에 이른다 (교과서 근사). 1.3 GHz($\lambda$ 23 cm)에서 11.5 cm 도선이면 −13.4 dBsm으로, X대역에서 기체 전체를 잰 값보다 크다. 실제 배선은 굽고 다른 부품에 붙어 있어 이 값은 상한이다.

산란점이 여럿이면 에코는 위상이 다른 여러 반사의 합이다. 자세가 조금만 바뀌어도 더해지던 반사가 서로 지우므로 RCS가 크게 출렁인다. 크기가 비슷한 산란점이 많을수록 합의 분포는 지수분포에 가까워진다. 이것이 5.5.4.2의 Swerling 1 모형이 소형 무인기에 그럴듯한 물리적 이유다.

안테나는 특히 서로 부딪치는 요구를 진다. 링크를 위해서는 자기 대역에서 잘 받아야 하고, 레이더 시그니처를 위해서는 그 대역에서 덜 되돌려야 한다. 몸체와 일체화한 안테나는 공력과 RCS에 유리할 수 있지만 패턴·이득·정비가 대가다(3.6.7).

5.6.5 적외선 시그니처 — 온도와 복사

5.6.5.1 플랑크 법칙과 대역 복사

결론부터: 상온 물체는 복사의 약 25 %를 8~12 µm(LWIR)에 내고 3~5 µm(MWIR)에는 1 % 안팎만 낸다. 온도가 오르면 MWIR이 훨씬 빨리 늘어 수백 °C에서는 MWIR이 앞선다. 그래서 상온 근처의 기체는 LWIR에서, 뜨거운 엔진과 배기는 MWIR에서 두드러진다.

흑체의 분광 복사발산도는 플랑크 법칙이고, 센서 대역의 값은 이를 그 대역에서 적분한 것이다. 전 파장의 합은 슈테판-볼츠만 법칙 $\sigma_{\mathrm{SB}}T^{4}$다.

$$M_\lambda(T)=\frac{2\pi hc^{2}}{\lambda^{5}}\,\frac{1}{e^{hc/(\lambda k_B T)}-1},\qquad M_{\mathrm{band}}(T)=\int_{\lambda_1}^{\lambda_2}M_\lambda(T)\,d\lambda$$

$h$는 플랑크 상수, $k_B$는 볼츠만 상수, $c$는 광속이다. 실제 표면은 방사율 $\varepsilon$만큼 내고 나머지는 주변을 반사한다(4.11.5.1의 겉보기 복사 식). 수치 적분(중점 규칙 2,000구간)으로 계산한 값이다. 300 K의 LWIR 120.95 W/m²와 1 K당 변화율 1.64 %(LWIR)·3.63 %(MWIR)는 4.11.5.1의 표와 같다.

5.6.5.2 발열원 — 전기·내연·하이브리드·연료전지

열원은 효율의 이면이다(1.25.2). 추진 방식이 시그니처를 크게 결정한다.

• 전기 추진. 2 kg 쿼드콥터는 호버에 전기 270 W를 사용하고 축 동력은 199 W다(1.7.7). 모터와 ESC의 손실이 약 56 W, 배터리 손실이 효율 0.96을 가정해 약 11 W로, 열은 모두 합쳐 70 W 안팎이다. 이 열은 대부분 로터 하강류의 대류로 빠진다. 표면이 기온보다 30 K 높은 모터 네 개(면적 각 6 cm², 방사율 0.9 가정)가 복사로 내는 순 열량은 0.4 W에 그친다. 적외선 시그니처를 정하는 것은 열량이 아니라 보이는 표면의 온도와 면적이다.
• 내연 추진. 작은 엔진은 연료 에너지의 일부만 축 동력이 되고 나머지는 배기와 냉각으로 나간다. 열효율 25 %를 가정하면 축 동력 1 kW마다 열 3 kW다. 실린더와 소음기 표면은 수백 °C에 이르고, 배기 가스는 이산화탄소의 4.3 µm 띠처럼 MWIR 안의 분자 띠에서 강하게 낸다(회색체가 아니다). 1.20의 세 축 비교가 "배기와 기체 열이 크다"고 사용한 내용이다.
• 하이브리드 전기 추진. 발전용 엔진이 전기 출력의 5배가 넘는 열을 배기와 냉각 공기로 내보낸다(1.23). 내연의 시그니처를 대부분 그대로 진다.
• 연료전지. 배기는 차가운 수증기지만, 전기 출력과 비슷한 크기의 열(효율 약 50 % 가정)을 60~80 °C의 넓은 방열기로 버려야 한다(1.24). 온도는 낮아도 면적이 크다.
• 태양과 공력 가열. 햇빛을 받은 어두운 표면은 기온보다 수~수십 K 높아질 수 있다 (경험 범위, 확인 필요). 공력 가열은 정체 온도 상승 $v^{2}/(2c_p)$로 30 m/s에서 0.45 K, 100 m/s에서 5.0 K, 250 m/s에서 31 K다. 소형 무인기에서는 무시할 만하다.

열관리와의 충돌도 여기서 생긴다. 냉각 흡기와 방열을 키우면 부품 온도는 내려가지만 뜨거운 공기와 방열면이 보이게 된다(1.25.2).

5.6.5.3 점 표적의 탐지 거리 — 제곱 법칙

결론부터: 먼 무인기는 열영상 센서의 한 화소보다 작다. 그러면 화소가 느끼는 온도 차는 표적의 온도 차에 화소를 채운 비율을 곱한 값이 되고, 탐지 거리는 (면적 × 온도 차)의 제곱근에 비례한다. 면적이나 온도 차를 10배 줄여도 거리는 3.2배만 준다.

면적 $A_i$인 부품의 겉보기 복사 차를 기준 온도의 감도로 나눈 등가 온도 차 $\Delta T_{\mathrm{eq},i}$를 사용한다. 화소의 시야 넓이는 $(\mathrm{IFOV}\cdot R)^{2}$이므로, 화소의 등가 온도 차가 $k\cdot\mathrm{NETD}$에 닿는 거리는 다음이다. 4.11.10.3의 전선 식을 점 표적으로 바꾼 꼴이다.

$$R=\frac{1}{\mathrm{IFOV}}\sqrt{\frac{\sum_i A_i\,\Delta T_{\mathrm{eq},i}}{k\cdot\mathrm{NETD}}},\qquad \Delta T_{\mathrm{eq},i}=\frac{\varepsilon\left[M_{\mathrm{band}}(T_i)-M_{\mathrm{band}}(T_{\mathrm{bg}})\right]}{dM_{\mathrm{band}}/dT\,\big\rvert_{300\,\mathrm{K}}}$$

센서는 4.11의 가정을 그대로 사용한다. 640화소·50° 시야의 IFOV 1.36 mrad, NETD 50 mK, 판정 $k=3$이다. MWIR도 같은 NETD로 두어 대역의 차이만 보이게 했다. 방사율은 0.9, 대기 감쇠와 배경의 얼룩(구름·태양 반사)은 넣지 않았다. 그래서 아래 값은 상한이다.

읽을 점은 넷이다.

• 배경이 시그니처를 바꾼다. 땅을 배경으로 하면 전기 쿼드의 대비는 뜨거운 부품뿐이다. 차가운 맑은 하늘을 배경으로 올려다보면 상온의 몸통 전체가 대비가 되어 거리가 3배로 늘어난다. "전기라서 열이 작다"는 말은 땅 배경에서만 맞는다.
• 뜨거운 표면은 MWIR에서 멀리 보인다. 내연 기관은 MWIR에서 LWIR의 2.8배 거리다. 수백 °C에서 MWIR 복사가 가파르게 늘기 때문이다.
• 낮은 온도도 면적이 크면 크다. 70 °C 방열기 0.1 m²는 전기 쿼드의 부품보다 5배 넘게 멀리 보인다.
• 센서가 좁은 시야를 사용하면 거리는 비례해 늘어난다. 위 값은 넓은 시야(50°)의 비냉각 센서다. 감시용 좁은 시야 센서는 IFOV가 작아 거리가 그만큼 길다($R\propto1/\mathrm{IFOV}$). 센서의 상세는 6.4이 맡는다.

5.6.6 음향 시그니처 — 1.31과의 연결

음향의 원리와 저감은 1.31이 맡는다. 이 장은 다른 시그니처와 견줄 값만 가져온다. 1.31.9의 2 kg 쿼드콥터는 음향 출력 87 dB(A)이고 깃 통과 주파수(BPF) 214 Hz(1.7.7.1 표의 기준 로터 6,432 rpm)에 톤이 선다. 배경 40 dB(A)에서 사람 귀의 가청 거리는 퍼짐만으로 89 m, 대기 흡수까지 넣으면 73 m다. 배경이 30 dB(A)로 조용하면 282 m로 늘어난다(같은 흡수를 넣으면 177 m, 이 장의 계산). 10 dB를 줄이면 각각 28 m와 26 m가 된다.

탐지 거리의 개념식은 1.31.11에 있다. 두 가지를 덧붙인다.

• 거리 법칙은 수동 점 표적과 같다. 퍼짐만 있으면 10 dB가 거리를 0.32배로 줄이고, 흡수가 크면 덜 줄인다(5.6.9).
• 탐지 문턱은 수신자가 정한다. 사람 귀의 광대역 평균이 아니라 마이크 배열과 협대역 분석은 배경보다 낮은 톤도 찾는다(1.31.11·6.9). 낮은 주파수의 BPF 톤은 대기 흡수가 작아 멀리 간다. 그래서 위의 가청 거리는 음향 탐지 거리의 하한에 가깝다.

군용 규격으로는 MIL-STD-1474E(2015)가 소음 한계와 함께 청각 비탐지성(aural non-detectability) 기준을 부록으로 둔다. 조용한 야지에서 도심까지의 배경을 가정하고, 지배적인 1/3 옥타브 대역의 주파수에 대해 탐지 거리를 표와 그래프로 준다고 요약된다 (2차 요약으로 확인, 본문의 수치는 확인하지 못함). 민간에서 같은 소리는 민원과 수용성의 문제다(1.31.6·21.10).

5.6.7 시각 시그니처 — 크기·대비·움직임·빛

시각 탐지의 네 요소는 크기·대비·움직임·빛이다.

• 크기. 카메라가 화소로 알아보는 거리는 $R=s\,n_{px}/(\mathrm{FOV}\cdot N)$로 표적 크기 $s$에 비례한다(2.14.8.1). 4K·60° 카메라가 4화소 기준으로 폭 0.4 m의 소형 무인기를 알아보는 거리는 367 m다(2.14.8.2). 보이는 면적을 10분의 1로 줄이면 크기가 0.32배가 되어 116 m다.
• 대비. 대기는 대비를 $C(R)=C_0\,e^{-3.912R/V_{\mathrm{vis}}}$로 줄인다(2.14.8.3). 시정 10 km에서 367 m는 0.87배, 1 km는 0.68배다. 하늘을 배경으로 한 어두운 실루엣은 대비가 크다. 하늘의 밝기와 표면의 밝기를 맞추면 대비가 준다는 것이 위장 도색의 원리 범주다.
• 움직임. 움직이는 점은 눈과 알고리즘의 주의를 끈다. 반대로 충돌 코스의 표적은 화면에서 멈춰 있어 놓치기 쉽다(2.14.8.3). 회전하는 로터의 깜빡임도 단서다.
• 빛. 매끈한 표면과 렌즈는 햇빛을 반짝 반사한다(글린트). 야간에는 등화가 가장 큰 시각 시그니처다. 민간 무인기에게 등화는 의무다. 미국 14 CFR §107.29는 야간과 시민박명의 운용에 3 statute mile(약 4.8 km) 밖에서 보이는 충돌 방지등을 요구하고, 밝기는 줄일 수 있어도 끌 수는 없게 했다.

시각 시그니처의 관리는 다른 영역보다 싸다. 대신 카메라와 학습 기반 탐지기가 좋아지면서 시각 탐지 거리는 센서 쪽에서 빠르게 늘어나고 있다(6.3·11.1).

5.6.8 방사 시그니처 — 스스로 내는 전파와 빛

네 영역 밖에 다섯째 흔적이 있다. 무인기가 스스로 내는 전파와 빛이다. C2·영상 링크(3.11·3.12), Remote ID 방송(14.24), 전파 고도계와 DAA 레이더(5.5.11), LiDAR와 적외선 비콘(4.11.8·4.11.10.2)이 모두 여기에 든다. GNSS 수신기는 받기만 하므로 방사가 없다.

방사는 편도라서 수동 점 표적처럼 $R^{2}$ 법칙을 따른다. 게다가 링크는 상대 수신기에 닿도록 설계된 신호다. 듣는 쪽이 지향 안테나와 좋은 감도를 사용하면 링크의 통달거리보다 훨씬 먼 곳에서도 들린다(링크 버짓의 역, 5.4). 그래서 4.11과 4.13는 군용 구성에서 능동 방사를 제한한다고 서술했다.

줄이는 원리의 범주는 다섯이다. 덜 보내기(송신 시간과 빈도), 필요한 만큼만 보내기(적응 전력), 한 방향으로 보내기(지향 안테나), 넓게 펴서 보내기(대역확산·주파수 도약, 3.18), 전파 대신 다른 길(광섬유 링크 3.17, 자율 비행)이다. 대가는 링크의 여유와 가용도, 운용자의 상황 인식이다. 광섬유 링크(3.17)와 계류형 드론의 유선 링크(1.14)는 전파 방사를 없애도 시각·음향·열 시그니처는 그대로 남는다. 운용 절차로서의 방사 통제는 5.8이, 저피탐·저피요격 통신은 3.18가 맡는다.

민간과 AAM에서는 방향이 반대다. Remote ID와 트랜스폰더·ADS-B는 식별되기 위해 일부러 내는 방사이며 법정 의무다(2.13·14.24).

5.6.9 워크스루 — 2 kg 쿼드콥터의 네 시그니처

같은 2 kg 쿼드콥터를 앞 장들의 가정 그대로 네 탐지 수단 앞에 놓는다. 절대 거리는 센서 가정에 달려 있다. 비교할 수 있는 것은 각 줄의 거리 법칙과, 같은 수단에서 시그니처를 바꿨을 때의 변화다.

다음 그림은 각 방식에서 시그니처를 10 dB 줄였을 때 남는 거리의 비율이다.

읽을 점은 셋이다.

1. 레이더 시그니처는 dB당 거리 효과가 가장 작다. 10 dB를 줄여도 거리는 0.56배다. 거리를 반으로 줄이려면 RCS를 12.0 dB(16분의 1) 줄여야 한다. 수동 탐지에서는 6.0 dB(4분의 1)면 된다.
2. 대기가 거리 법칙을 완화한다. 흡수와 소광이 큰 조건에서는 같은 10 dB가 거리를 0.36~0.47배로 줄인다. 퍼짐만 있을 때의 0.32배보다 덜 준다. 먼 거리일수록 지수 항이 지배하기 때문이다.
3. 가장 먼 시그니처가 탐지를 정한다. 관측하는 쪽은 가진 수단 중 가장 먼저 알아채는 것을 사용한다. 위 표에서 한 영역만 줄이면 다음으로 먼 영역이 탐지 거리를 정한다. 그래서 시그니처 요구는 영역 사이의 균형으로 세운다. 이 원리는 5.8이 생존성 평가에서 이어 사용한다.

5.6.10 저피탐 설계의 원리 범주와 대가

시그니처를 줄이는 방법은 영역마다 몇 개의 원리 범주로 묶인다. 이 표는 범주와 대가까지만 적는다.

대가는 넷으로 모인다.

• 무게. 소형 기체에서 무게는 체공 시간을 직접 깎는다. 2 kg 쿼드콥터에 0.25 kg을 더하면 체공은 18.1분에서 15.3분으로 15 % 줄고, 0.5 kg이면 13.2분으로 27 % 준다(1.7.7.1의 표).
• 비용. 재료·공정·검증 비용이 든다. 시그니처를 재고 확인하는 시험(RCS 측정, 열·음향 시험)도 비용이다(8.19).
• 성능. 공력·냉각·안테나·링크의 성능을 내준다. 표의 셋째 열이 그 목록이다.
• 정비. 표면 처리와 틈새 관리는 정비 시간을 늘리고, 손상되면 시그니처가 원래대로 돌아온다. 야전 정비성이 떨어진다.

생존성은 탐지 거리 하나로 정해지지 않는다. 탐지 뒤의 분류·추적·대응 사슬과, 그 사이의 시간이 함께 정한다(5.8·11.1).

5.6.11 설계 트레이드오프 — 무엇을 얼마나 줄일 것인가

군용 드론의 세 입장.

1. ① 최소 관리, 수와 값으로 버틴다. 시그니처 관리를 거의 하지 않고 싸게 많이 만든다. 하나하나는 쉽게 들키지만 수가 방어를 포화시킨다는 논리다. 최근 분쟁의 공개 보도에서 소모성 소형 드론의 대량 운용이 이 경향으로 읽힌다(10.8·13.3, 공개 보도 수준).
2. ② 균형 관리. 가장 먼 탐지 영역부터 줄여 영역 사이의 거리를 고르게 맞춘다. 싼 영역(시각·음향·방사의 운용 절차)을 먼저 작성하고, 비싼 영역(레이더 재료·형상)은 임무가 요구할 때만 사용한다.
3. ③ 높은 수준의 저피탐. 형상과 재료부터 시그니처를 중심에 두고 설계한다. 무게·비용·정비가 크게 늘어 대형·고가 기체에 맞는 길이다. 이 책은 공개 개념 수준에서만 다룬다.

견해: 소형 군용 무인기의 시그니처 요구는 ②의 균형 관리로 세우는 편이 합리적이라고 본다. 근거는 셋이다. 첫째, 레이더는 $R^{4}$ 법칙 때문에 dB당 거리 효과가 가장 작다(10 dB에 0.56배). 둘째, 관측하는 쪽은 가장 먼 시그니처로 알아채므로 한 영역만 줄인 투자는 다음 영역에서 막힌다(5.6.9). 셋째, 소형 기체에서 무게 0.25 kg은 체공 15 %다. 반대로 ①의 논리는 단가와 생산량이 결정적인 소모성 임무에서, ③은 위협이 높은 곳을 오래 비행해야 하는 고가 체계에서 설득력이 있다. 이 판단은 위협 센서의 구성과 임무 시간에 민감하며, 정량 평가는 5.8과 8.19의 모의로 한다.

민간 UAS와 AAM. 질문이 달라진다. 무엇을 숨길지가 아니라 무엇을 얼마나 드러낼지다. 소음은 낮출수록 좋지만 효율·무게와 맞바꾼다(1.31.10). 시각은 충돌 방지를 위해 보여야 하지만 야간 등화는 빛 공해와 민원이 된다. 방사는 식별을 위해 내야 한다(Remote ID). 같은 물리가 군용에서는 "줄이는 대상", 민간에서는 "규제가 정한 수준에 맞추는 대상"이다.

5.6.12 세 축 비교

5.6.13 관련 규격·프로토콜

유료 규격과 군 규격은 공개 요약의 범위에서만 다뤘다. 적외선·시각 시그니처의 측정은 공개 표준을 이 장에서 확인하지 못했다.

5.6.14 관련 규제·인증 요구와의 연결

5.6.15 함정과 한계

이 장의 한계도 밝혀 둔다.

• 이상화한 모형이다. 부품을 구·평판·모서리로 본 RCS는 영역의 뜻을 보이려는 것이며 실제 부품의 값이 아니다. 실제 RCS는 측정(5.5.5)으로 확인한다.
• 적외선 계산은 상한이다. 대기 투과·경로 복사·배경 얼룩·태양 반사를 넣지 않았고, 배기 가스의 분자 띠 복사는 계산하지 않았다. 온도와 면적은 가정이다.
• 음향과 시각은 앞 장의 값을 옮겼다. 각 장의 가정(1.31.9·2.14.8)이 그대로 따라온다.
• 저피탐 기술은 범주만 작성했다. 재료·형상의 세부와 특정 체계를 상대로 한 효과는 범위 밖이다(BK-04).

5.6.16 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 레이더와 수동 적외선 탐지에서 탐지 거리를 절반으로 줄이려면 시그니처를 각각 몇 dB 줄여야 하는가?
2. 지름 3 cm 도체 구의 RCS가 1.3 GHz와 3 GHz에서 광학값보다 작아지고 커지는 이유를 $ka$로 설명하라.
3. 10 cm × 4 cm 평판의 수직 입사 RCS와 엽폭을 9.5 GHz에서 구하라.
4. 상온의 전기 쿼드콥터가 땅 배경보다 맑은 하늘 배경에서 더 멀리 보이는 이유는 무엇인가?
5. 연료전지 기체의 방열기가 70 °C인데도 적외선 시그니처가 큰 이유를 식으로 설명하라.
6. 민간 무인기에게 시각·방사 시그니처를 드러내라고 요구하는 제도 두 가지를 들어라.

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

1. 다중 시그니처의 균형 지표 — 네 영역과 방사의 탐지 거리를 하나의 생존성 지표로 묶는 공개 가능한 평가 틀은 무엇인가(5.8)?
2. 저대역 RCS의 부품 기여 — L·S대역에서 배선·안테나의 공진이 소형 무인기 RCS에 주는 기여를 측정으로 확인할 수 있는가?
3. 도심 AAM의 소음·시각 수용성 — 등화와 소음의 지역별 수용 한계를 어떻게 재고 인증 요구로 바꾸는가(21.10)?
4. 배경 의존 적외선 탐지 — 하늘·지면·도심 배경에서 소형 무인기의 열 대비 분포를 측정해 탐지 거리의 분포로 바꾸는 방법은?

1차 출처(이 장)

• Knott, E. F.; Shaeffer, J. F.; Tuley, M. T., Radar Cross Section, 2nd ed., Artech House, 1993.
• Ruck, G. T. (ed.), Radar Cross Section Handbook, Plenum Press, 1970.
• Bohren, C. F.; Huffman, D. R., Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, 1983.
• Wolfe, W. L.; Zissis, G. J. (eds.), The Infrared Handbook, ERIM, 1978 (개정판 확인 필요).
• Semkin, V. et al., IEEE Access 8, pp. 48958–48969, 2020. Rahman, S.; Robertson, D. A., IET Radar, Sonar & Navigation 13(2), pp. 300–309, 2019(상세 서지는 5.5.17).
• MIL-STD-1474E, Design Criteria Standard: Noise Limits, 2015(부록 내용은 AIHA Synergist 2016년 11월호의 요약으로 확인, 2차).
• IEEE Std 1502-2020. 14 CFR §107.29. ICAO Annex 16 Vol. I.

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.

다음 장: 5.7은 반대 방향의 전자기 문제를 다룬다. 외부의 강한 전자기 에너지(HPM·EMP)가 안테나와 틈새·케이블로 들어와 전자 장비를 교란하거나 손상하는 경로와, 차폐·필터·접지로 견디게 하는 내성 설계를 원리와 시험 규격의 수준에서 작성한다.