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기상학자의 레이더 기술 세상을 이롭게 하다

Robert alexander Watson-Watt

제2차 세계대전 중 열세에 몰린 영국은 기상 물리학자에게 한 가지 가능성을 타진한다.
전파를 활용해 영국을 공격하려는 항공기의 출동 여부였다. 심지어 교란의 가능성도 물었다.
그러자 그는 주저 없이 ‘예스(Yes)’라고 대답했다. 아무도 믿지 않았지만, 이미 전파의 무한한 활용
가능성을 파악하고 있었기 때문이다. 그가 바로 영국 산업혁명의 시조로 불리는
제임스 와트의 후손, 로버트 왓슨와트(Robert Alexander Watson-Watt, 1892~1973년)다.

로버트 왓슨와트 영국의 물리공학자로, 1919년 레이더에 관한 연구로 특허를 받고, 레이더의 정도와 감도 개선에 전념했다. 1935년 최초로 실용적인 항공기 탐지 장치를 만들었다.

로버트 왓슨와트 Robert Alexander Watson-Watt
영국의 물리공학자로, 1919년 레이더에 관한 연구로
특허를 받고, 레이더의 정도와 감도 개선에 전념했다.
1935년 최초로 실용적인 항공기 탐지 장치를 만들었다.

세기의 과학자들, 전파에 주목하다

세기의 과학자들, 전파에 주목하다

왓슨와트는 역사에서 ‘레이더(Radar, Radio Detection And Ranging)’를 고안한 인물로 꼽힌다. 그러나 정확하게 왓슨와트는 이미 여러 분야에 이용되던 ‘전파(Radio Wave)’의 활용 범위를 군사적으로 넓혔다는 점에서 주목받는다. 기상 물리학자로 번개와 천둥에 관심을 가졌지만 전파의 확장성은 무궁무진하다는 생각을 끊임없이 해왔기 때문이다. 사실 전파의 존재를 수학적으로 처음 증명한 사람은 영국의 물리학자 맥스웰이다. 그는 네 가지 법칙을 제시하며 전파의 흐름 패턴을 입증했는데, 전파라는 것이 실존한다는 사실을 알아낸 것만으로도 큰 주목을 받았다. 이후 맥스웰의 수학 이론을 실험으로 검증한 사람이 독일의 과학자 헤르츠다. 그의 실험은 매우 간단했다. 전기가 흐를 수 있는 물체(도체)에 불꽃을 일으켰더니 10m 이상 떨어진 다른 도체에서도 불꽃 방전이 일어나는 것을 확인했다. 전파가 이동한다는 점을 증명한 공로로 지금도 주파수 단위를 ‘헤르츠(Hz)’로 쓰고 있다. 그럼 전파는 대체 얼마나 이동할 수 있을까? 이탈리아 전기 기술자 마르코니는 1901년 영국에서 바다 건너 캐나다까지 ,600km의 대서양을 횡단하는 무선 전파 통신 실험에 성공했다. 120m 높이에 철사로 엮은 연을 띄워 전파를 수신했는데, 전파의 이동 거리에 제한이 없음을 세상에 드러냈다. 이 점을 알게 된 미국 해군연구소는 대기의 이온층으로 전파를 쏘고 반사돼 돌아오기까지 시간을 재서 이온층의 높이 측정에 성공했다. 전파의 기본적인 특성과 성질을 활용한 군사용 시도였던 셈이다.

영국 하늘을 방어한 레이더의 원리

영국 하늘을 방어한 레이더의 원리

일반적으로 전파가 멀리 떨어진 물체의 위치를 찾아낼 수 있는 이유는 전파의 특성 때문이다. 전파는 기본적으로 빛처럼 직진한다. 거울을 통해 빛이 반사되듯 전파도 금속판이나 건물, 지면등에 부딪치면 반사하는 성질이 있고, 이외 직진하는 과정에서 장애물이 있으면 돌아가는 특성도 있다. 그래서 전파를 쏘는 레이더는 금속 성분인 항공기 동체에서 반사되는 전파를 분석해 항공기의 위치와 이동 속도 등을 알아내고, 군사용뿐 아니라 강수량 예측 시스템에도 활용되며, 사람이 들어가지 못하는 심해까지 전파를 도달시켜 수심을 알아내기도 한다.

그럼 왓슨와트는 어떤 원리로 움직이는 항공기 위치를 파악했을까? 전파는 기본적으로 직진하지만 높이 솟아오르면 더 이상 갈 수 없는 이온층에 가로막혀 반사된다. 이렇게 반사된 전파는 가장 가까운 곳에서 수신을 하게 된다. 물론 지금은 이온층을 뚫고 올라가 위성통신도 할 수 있지만, 레이더가 발명될 당시에는 이온층의 반사가 적극 활용됐다. 왓슨와트의 생각은 의외로 간단했다. 전파를 도버해협(영국 남동부의 도버와 프랑스 북서부의 칼레 사이의 해협) 상공으로 지속 발생시키면 이온층에 반사돼 아래로 내려오고, 이때 지나가는 항공기를 발견하면 다시 반사돼 발신지로 전파가 되돌아온다는 원리였다. 덕분에 영국으로 접근하는 항공기의 이동 속도와 위치 추적이 가능했고, 사전에 이 사실을 알고 방어에 나서면 백전백승(百戰百勝)이 가능하다고 여겼다. 상대방의 기습을 아군의 역습으로 전환시킬 수 있었으니 왓슨의 레이더는 제2차 세계대전 영국 하늘을 방어하는 데 매우 큰 역할을 한 셈이다.

왓슨와트는 어떤 원리로 움직이는 항공기 위치를 파악했을까? 전파는 기본적으로 직진하지만 높이 솟아오르면 더 이상 갈 수 없는 이온층에 가로막혀 반사된다. 이렇게 반사된 전파는 가장 가까운 곳에서 수신을 하게 된다. 물론 지금은 이온층을 뚫고 올라가 위성통신도 할 수 있지만, 레이더가 발명될 당시에는 이온층의 반사가 적극 활용됐다. 왓슨와트의 생각은 의외로 간단했다. 전파를 영국 남동부의 도버와 프랑스 북서부의 칼레 사이의 도버해협 상공으로 지속 발생시키면 이온층에 반사돼 아래로 내려오고, 이때 지나가는 항공기를 발견하면 다시 반사돼 발신지로 전파가 되돌아온다는 원리였다. 덕분에 영국으로 접근하는 항공기의 이동 속도와 위치 추적이 가능했고, 사전에 이 사실을 알고 방어에 나서면 백전백승이 가능하다고 여겼다. 상대방의 기습을 아군의 역습으로 전환시킬 수 있었으니 왓슨의 레이더는 제2차 세계대전 영국 하늘을 방어하는 데 매우 큰 역할을 한 셈이다.
보이지 않는 곳을 보이게 해주는 눈 Eye

보이지 않는 곳을 보이게 해주는 눈 (Eye)

실제 왓슨와트는 이런 계획을 실행하기에 앞서 실험을 진행했는데 BBC 방송국 송출탑을 전파발신기로 그리고 오실로스코프(Oscilloscope)를 수신기로 사용해 13km 떨어진 항공기 동체의 위치를 파악하는 데 성공했다. 항공기에서 반사된 전파가 오실로스코프로 수신될 때 전압 변화가 있음을 입증한 것이다. 여기서 해결책을 발견한 그는 많은 돈을 지원받으며 영국 전역에 레이더 전파국을 건설해 이른바 본격적인 ‘레이더방어’ 시스템 구축에 공헌하게 된다. 이후 전파를 주고받는 레이더는 무언가 탐지가 필요한 곳이라면 어디든 활용됐다. 한마디로 보이지 않는 곳을 보이게 해주는 ‘눈(Eye)’ 역할 이어서 항공기는 물론 선박 등에 많이 적용됐다. 특히 이동하는 물체가 장애물을 탐지할 때 매우 유용했는데, 쉽게 보면 항공기와 선박은 이동 공간에 장애물이 많지 않다는 점에서 레이더 기술이 발전할 수 있는 좋은 기반이었다는 의미다. 나아가 최근에는 미국과 캐나다가 지구 궤도의 인공위성을 식별, 감시하기 위해 우주 탐지와 추적 시스템(SPADATS, Space Detection And Tracking System)이라는 레이더망을 공동으로 운영하는 등 레이더는 우리 생활의 일부분으로 정착했다. 민간 응용 분야도 발전해 대부분의 공항에는 정찰 레이더 시스템과 정밀 근접 레이더 시스템 (Precision Approach Radar System)을 갖추고 있다. 공항으로 접근하거나 이륙하는 모든 항공기의 이동을 관제소가 제어할 수 있으며, 시계가 좋지 않을 때는 안전한 착륙도 돕는다. 이외 천문학에서도 태양계 행성의 지도를 만드는 일에 레이더가 쓰인다. 그만큼 과학기술에 있어 레이더의 용도와 역할은 더욱 확대되고 있다.

우리 생활 곳곳에서 활용되는 레이더 기술

우리 생활 곳곳에서 활용되는 레이더 기술

재미있는 사실은 기상과 군사용에서 출발한 레이더가 교통과 자동차로 전파됐다는 점이다. ‘레이더’ 장치는 없어도 교통카드, 고속도로 하이패스, GPS 등에서 정보를 주고받는 매개체로 전파를 활용하고 있다. 레이더 사용은 자동차에서도 확산되고 있다. 최근 자율주행차로 전환되는 과정에서 레이더의 중요성이 높아지고 있는데, 이는 자동차 이동 과정에 너무나 많은 장애물이 있기 때문이다. 사실, 자동차 레이더의 도입 역사는 결코 짧지 않다. 1910년 당시 미국의 3대 프리미엄 브랜드 가운데 하나였던 피어리스 자동차(Peerless Motor)가 언덕을 오르고 내릴 때 레이더로 속도를 유지해주는 ‘속도 조절(Speed Control)’ 시스템을 소개했다. 이후 1945년 엔지니어 랄프 티터(Ralph Teetor)가 개발한 ‘오토 파일럿(Auto Pilot)’이 크라이슬러 임페리얼(Imperial)에 적용됐다. 하지만 시스템 구축 비용과 실효성 문제로 레이더 장착은 더디게 진행됐다.

본격적인 등장은 1999년 메르세데스 벤츠가 선보인 S클래스의 첨단 통합 안전 기능인 디스트로닉(Distronic)에서 출발한다. 벤츠는 범퍼의 센서와 스테레오 카메라를 이용해 앞차와의 거리를 일정하게 유지하며 속도까지 조절하는 기능을 S클래스에 장착했는데, 운전자가 앞차와의 거리를 입력하면 전면에 부착된 장거리 레이더가 위치를 탐지해 속도를 유지하거나 가·감속 또는 정지하도록 했다. 흔히 말하는 적응형 또는 지능형 크루즈 컨트롤(ACC, Adaptive Cruise Control)이다. 이전에도 ACC가 있었지만 레이더를 이용해 브레이크까지 컨트롤하는 것은 디스트로닉이 최초였다.

지능형 크루즈 컨트롤의 최대 장점은 추돌사고 방지다. 통상 차선이탈방지장치와 함께 적용돼 안전거리를 유지하되 잠깐이라도 차선을 벗어나면 경고음을 울린다. 레이더를 통해 얻은 정보를 자동차가 스스로 판단해 속도는 물론 거리까지 조절한다. 심지어 앞차가 정지하면 같이 멈추고, 3초 이내에 출발하면 페달 조작 없이 정해 놓은 속도에 이르기도 한다. 최근 자동차용 레이더 개발은 경쟁적으로 이뤄지고 있다. 레이더의 감지 영역과 장애물 인식 속도를 높일수록 사고 예방은 물론 완전 자율주행에 한발 다가설 수 있기 때문이다. 실제 미래형 자동차를 실현시키기 위해서는 센서 개발이 핵심이고, 그중 자동차용 레이더 개발과 발전은 최대 과제로 꼽힌다. 게다가 자동차는 전후좌우 모든 방향으로 이동하는 만큼 레이더가 360도로 전파를 내보내 갖가지 장애물을 재빨리 인식, 순간적으로 일어나는 사고를 회피해야 하기 때문이다. 자동차 레이더 센서는 현재 운전자 지원 시스템(DAS, Driver Assistance System)에 적용되는 24GHz 근거리용과 77GHz 장거리용 레이더가 활발히 사용된다. 이 가운데 지난해 현대모비스가 개발한 레이더는 24GHz 근거리용이다. 레이더를이용해 전방 장애물을 감지하고 가·감속을 자동으로 제공하는 지능형 크루즈 컨트롤 시스템 SCC(Smart Cruise Control), 레이더와 카메라를 이용해 충돌이 예상되는 장애물 및 보행자와의 사고를 회피하는 긴급 제동 보조 시스템 ‘AEB(Autonomous Emergency Braking)’, ‘BSD(Blind Spot Detection)’에 적극 사용되고 있다.

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