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작성일 : 19-11-09 01:21
[공군] 광자레이더, 양자레이더
 글쓴이 : 떡국
조회 : 2,763  

현재의 AESA 레이더 다음에 나올 차세대 레이더로 
광자레이더, 양자레이더가 언급이 많이 되던데요.
저도 이게 원리가 뭔가 어느정도 발전되었나 궁금해서 웹서핑을 좀 해 봤는데요.
공부삼아 간단히 서머리 해 보았습니다.

1. 광자레이더(Photonic Radar)
번역을 광자레이더로 하지 않고 광학레이더로 하는게 더 정확하지 않나 하는 생각이 들었습니다.
2015년 경을 기점으로 군사용 레이다로서의 장점을 언급하는 논문들이 보이기 시작하던데, 최근에는 러시아에서 시제품까지 만들어서 테스트하는 수준까지 왔나 보더군요.  미국에서는 보안상 공개는 안 하는 것 같지만 러시아 이상으로 진전을 보고 있을 확률도 높죠.
현재의 전투기용 AESA레이더는 전통적인 발진자와 앰프로 전류를 제어하고, 안테나를 통해 전자기파를 발생시키는 방식인데요.  X밴드 대역은 파장의 길이가 약 2.5cm 부근이라고 하죠.  이것도 전파 중에서는 엄청 짧은 파장이죠.
그런데 현대 스텔스 기술이 이 대역의 레이더에 주로 대응하여 개발되어 있기 때문에, 스텔스를 탐지하기에는 불리한 대역인 것도 사실이고요.
그런데 이 광자레이더(광학레이더)는, 전파를 만들어내는 원천이, 안테나가 아니고 레이저더군요.
레이저로 만들어낼 수 있는 일반적인 파장대는 적외선 영역일 것이고, 그렇다면 대략 1미크론 정도의 파장 길이가 나올 겁니다.  이 빛을 변조시켜 파장을 좀 더 잡아늘려서 마이크로파(수십~수백 미크론) 대력의 전파로 만들어서 쏴 주는 방식 같네요.  그리고 이것을 AESA 처럼 최대한 많은 갯수로 한꺼번에 쏴 주도록 되어 있더군요.
마이크로파 영역이라면, 공기중의 수증기도 잘 통과하기 때문에 장거리 탐색용으로 충분히 쓸 수 있습니다.
이때 사용하는 레이저는 공업용 이산화탄소 레이저 같은 것은 못 쓰기 때문에(설비가 거대해 지고 내구성이 약함), 반도체 기반의 솔리드 스테이트 레이저광을 씁니다.  솔리드 레이저는 대출력을 만들어내는데 불리하기 때문에, 현재 봉착한 기술적 장벽은 이 레이저의 출력인 것 같습니다.  출력이 충분치 않아서 아직은 멀리 볼 수 없다고 하네요.
대신 레이저이기 때문에 에너지 효율은 더 좋아져서, 기존의 안테나 방식보다 10~20% 가량 효율을 더 높일 수 있습니다.  즉 그정도 더 적은 전력만 공급해 줘도 동급의 탐지거리를 얻을 수 있다는 이야기겠죠.
아무튼 부족한 레이저 출력 문제만 해결되면 장거리 탐색이 가능해지고, 5세대 스텔스기도 그대로 볼 수 있으며, 적외선과 가까운 파장이므로 심지어 IRST도 불필요해질 수 있습니다.   게다가 매우 파장이 짧기 때문에 고해상도 적외선 카메라로 보는 것 처럼 엄청난 퀄리티의 화면도 얻을 수 있고요.
따라서 사실상 전파공학 보다는 광학적인 영역에 더 가까운 특성이 더 강한 것 같습니다.

2. 양자레이더(Quantum Radar)
이건 빛을 만들어낼 때 양자얽힘 상태로 만들어낸 후, 하나는 대상물로 쏘아보내고, 여기에 얽혀있는 다른 하나는 감지기로 보내서, 쏘아보내졌던 놈이 물체에 부딪혀 상태가 변하면, 감지기에 있는 얽혀있는 광자의 상태도 변하므로, 그것을 감지한다는 개념이더군요.
양자얽힘 상태의 광자쌍을 만드는 방법은
(1) 레이저광을 소스로 하고, 프리즘을 이용해서 얽혀있는 광자를 분리하는 방법
(2) 퀀텀닷(나노단위 반도체)에서 양자얽힘 상태의 광자쌍을 직접 얻어내는 방법
크게 2가지 있는 것 같습니다.  실험에서는 어떤 쪽을 쓰는지는 잘 모르겠네요. (알려진 정보가 거의 없음)
다만, 앞서의 광자(광학)레이더에 비해서는 아직 실용화까지는 가야할 길이 매우 먼 것 같습니다.
다만 원리적으로, 이 방식으로 레이다를 만들면, 쏘아보내는 광자의 갯수 자체가 엄청나게 적기 때문에, 많은 에너지가 필요하지도 않을 것이고, 상대방의 센서가 알아챌 수도 없을 것이라고 합니다.  극단적으로 말해 수만개 정도의 광자만 쏘아보내도 충분히 화면으로 재구성 가능할테니까요. (반면, 기존의 레이더나 광자레이더 같은 경우에는 천문학적으로 많은 엄청난 갯수의 광자를 쏘아보내는 경우가 되겠죠)
중국에서 실험 성공했다는 기사가 뜨긴 했었는데 증거나 논문 같은 것이 없으므로 믿기 힘들고 의미도 없는 것 같고..
미국의 경우에는 아이디어가 MIT에서 2015년도에 논문으로 제시된 후, 갑자기 미국발 관련정보가 뚝 끊긴걸로 봐서 극비리에 연구중인가 봅니다.

우리나라에서는 올해 7월에 위의 광자(광학)레이더와 양자레이더 둘 다를 연구하는 팀을 만들었더군요.  물리적 원리는 아주 클리어하게 나와 있기 때문에, 전적으로 공학적인 과제가 될 것 같습니다.

다만 이와 비슷한 분위기를 예전 2000년대 중반에 봤던 데자뷔가 하나 떠오릅니다.
그때는 밀리미터 레벨의 파장대가 유행이었죠.  밀리미터파 연구 어쩌구 하면서요.
모든 물체가 고유의 밀리미터파를 발신하기 때문에, 패시브 디텍터를 만들수 있다고 검증도 하고 막 그랬었죠.
좋은 예로, 콩크리트벽 너머에 있는 병사의 실루엣을 투시해서 보는 데모도 있었거든요.
그런데 노이즈 문제라던가 화면으로 재구성해 내는 프로세스 문제 등등 난이도가 굉장히 높았었는데, 실증단계 연구까지 우리나라 ADD에서 진행하고 그랬었거든요.  그런데 결국 실용성이 낮다(군사적으로 쓰기에는 좀 애매하다)는 이유로 연구가 사실상 중단되었던 것을 보았었습니다.

이런 것 처럼, 광자레이더나 양자레이더도 연구 되다가 장벽에 부딪혀 결국 나가리 될 확률도 있습니다.
다만 광자레이더의 경우에는 여러나라에서 미친듯이 붐인 것으로 보아, 레이저 광원의 출력문제만 해결하면 상당히 희망적이라는 평인가 보더군요.


* Ref
1. http://fullafterburner.weebly.com/next-gen-weapons/radio-optic-phased-array-radar-a-comprehensive-study
2. 생략...

출처 : 해외 네티즌 반응 - 가생이닷컴https://www.gasengi.com


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당나귀 19-11-09 01:28
   
이상하게도 뭐든 한국에선 성공확률이 높을것 같다능...
뭐꼬이떡밥 19-11-09 02:03
   
이 레이더로 스텔스기 잡아 내나요?
iota 19-11-09 03:00
   
좋은정보 감사합니다.
Reference에 달아놓으신 link 들어가보니, 이미지들이 볼만 하더군요.
Wombat 19-11-09 08:00
   
양자얽힘은 실험실에서는 쓰기 쉽지만 그외 바깥에서는 상태를 유지하는것과 결과를 분석하는게 영 쉽지않아서 모르겠네요
모래니 19-11-09 08:08
   
양자얽힘을 이용한 뭔가가 나온다면
그건 레이다가 아니라, 통신기에서 먼저 나오겠죠.
     
떡국 19-11-09 09:56
   
네.  저도 그 생각을 했는데요.  양자얽힘을 자유자재로 다뤄서 레이더가 나올 정도면, 다른 분야에서는 뭐 거의 산업혁명이 벌어지겠구나 싶더라고요.  다만 휴대용 핸드폰에 양자얽힘 생성기를 집어넣기는 아마 당장은 어려울 것이니까, 덩치가 크고 번잡한 장치가 들어가도 되는 군용 장비에서 먼저 실용화되기는 하겠구나 하는 정도의 생각을 했네요.
다잇글힘 19-11-09 10:31
   
1. 광자레이더

"광자레이더"라는 표현이 맞습니다. 좀더 풀어쓰면 "광기반 레이더", 보다 더 풀어쓰면 "광기반 고주파발생 및 신호처리 레이더"라는 표현이 맞겠죠. 레이더계통에 대한 지식이 없는지라 보다 자세히 설명을 해드릴수 없는 수준이지만 기존 레이더에서 Generator와 신호처리 부분이 일렉트로닉스 기반이 아닌 포토닉스 기반이라는 것이 차이가 있을뿐 전반적인 구조자체는 기존 일렉트로닉스 레이더와는 큰 차이가 없습니다. 안테나를 통해 오고가는 전자기파는 기존레이더와 완전히 다른 주파수대도 아니구요.


2. 양자 레이더

기본원리는 위에글대로 이해하시면 되고

(1)방식 설명에서 프리즘은 그냥 일반적인 광학프리즘이 아니고 복굴절 프리즘을 이용한 것이고 얽혀있는 광자를 분리하는 것이 아니라 얽혀있는 광자를 만드는 것입니다.

그리고 양자레이더와 같은 양자얽힘 시스템의 최대문제는 Decoherence(결어긋남)입니다. 실험실 수준에서는 결어긋남을 통제하거나 최소화할 수 있는 시스템을 구현할 수 있지만 그 범위를 넘어서면 일반적인 거시환경이기 때문에 수많은 결어긋남 요소를 피할 수 없습니다.

그걸 극복하려면 광자를 엄청나게 많이 보내야 합니다. 예를들어 중국이 몇년전 성공한 양자통신의 경우 우주공간을 통해서 수백만개를 보내 하나정도를 감지한 수준이었죠. 더군다나 그 경우는 미리 수신자와 송신자에 대한 위치정보를 정확히 알고 있는 경우이지만 레이더의 경우는 지상의 대기환경인데다 타겟의 위치정보를 미리 알고 있는 경우가 아니기 때문에 정확히 무엇에 의해 결어긋남이 발생했는지 알수가 없죠. 위성감시나 천체관측에 사용되는 적응광학 기술처럼 미리 대기질환경에 대한 정보를 통해 보정하는 방법을 생각해볼 수도 있지만 그 경우는 배보다 배꼽이 더 크게 됩니다.
     
떡국 19-11-09 10:49
   
1.  네 말씀하신대로입니다만, "광자"라는 말로 번역이 되는 순간 그 원리를 이상하게 상상의 나래를 펴면서 오해하는 분이 많아질 것 같아서 좀 우려되더라고요.  아니나다를까 이 글 바로 다음 글에 그런 분이 바로 나타났어요. ㅠㅠ

2. 정확한 설명 감사합니다.  결어긋남이라는게 쉽게 말해서 얽힘이 깨진다는 말로 이해해도 되는지요?
     
다잇글힘 19-11-09 11:01
   
- Photonic이라는 단어가 Photon의 형용사형이라는 것을 생각하시면 될것 같은데 Photonics라는 말은 Electronics와 비교해서 만들어진 단어입니다. 즉 전자기술에서 전자대신 광자로 대체된 기술을 뜻합니다. 그래서 위에서 광기반이라는 단어를 사용한 것입니다. 그게 그냥 광자라는 단어보다는 포토닉스의 의미에 더 부합하긴 합니다. 얼마전에 Gravity Wave와 Gravitational Wave에 대해서 유게에서 글을 쓴적이 있는데 둘다 우리말로 그대로 옮기면 중력파란 뜻이 됩니다. 하지만 그 단어의 개념은 완전히 다릅니다. 그렇다고 둘다 중력파가 아닌게 아니죠. 이 경우도 마찬가지

- Decoherence라는건 양자역학에서 주변환경에 의한 Collapse라는 말로 표현할 수 있는데 엄밀한 의미는 주변환경과 중첩되었다는 뜻입니다. 주변환경과 중첩되었다는건 양자상태가 아닌 거시환경의 한부분이 되었다는 뜻입니다. 이게 과학적인 측정이라는 행위의 결과이기도 하고 주변환경에 교란된 결과이기도 합니다. 측정이나 교란이나 Decoherence측면에서는 다를바가 없습니다.

결과적으로 얽힘이 깨졌다는것은 같지만 여기서의 결어긋남은 측정에 의해서 깨진것이 아니라 측정이 아닌 의도하지 않은 주변환경에 의해 측정되기 이전에 깨졌다는 뜻입니다.
          
떡국 19-11-09 11:10
   
확실히 '광기반'이라는 표현도 좋은 것 같아요.  왜냐면 광자를 이용한다고 하는 순간 양자역학을 사람들이 먼저 떠올리기 때문에 뭔가 양자역학 효과를 이용한 거구나 하는 식으로 흐르더라고요.  또 최종단은 어차피 전파(전파도 광자니까요)를 쏘는 건 똑같은데, 사람들이 이 부분을 뭔가 다른 종류의 양자역학 효과를 이용한 광자를 쏘는구나 하는 식으로 오해하는 경향이 생겨요.  내부의 시그널 생성 부분에서 전자 대신 광학장치를 쓴다는 생각이 언듯 들지가 않게 되나 봐요.
또 그러다보니, 광자레이더와 양자레이더를 혼동해서 같은 것으로 생각하는 사람도 있고요.
Tenchu 19-11-09 12:25
   
양자레이더는 지구내에선 거의 불가능할듯요.. 우주처럼 진공상태면 몰라도.. 먼지같은 작은물체에 부닥치는순간 끝임.