FLIR
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1. 개요
FLIR(전방 감시 적외선)는 물체에서 방출되는 열을 감지하여 시야 확보를 돕는 기술이다. 장파장 및 중파장 적외선 카메라로 나뉘며, 군사, 항공, 소방, 수색 구조, 감시, 에너지 관리 등 다양한 분야에서 활용된다. FLIR는 자체 에너지 방출 없이 열을 감지하여 은폐가 용이하며, 연기, 안개 속에서도 시야를 확보할 수 있지만, 아군 오인 사격의 위험이 있다. 1956년 텍사스 인스트루먼츠에서 연구를 시작하여 발전해왔으며, 최근에는 가격이 하락하고 비냉각 기술이 개발되었다. FLIR 기술 사용은 사생활 침해 논란을 야기할 수 있으며, 법적 규제와 윤리적 고려가 필요하다. 한국에서는 군사 작전, 재난 상황, 산업 시설 점검 등에 활용되며, 기술 고도화를 위한 연구 개발이 진행 중이다.
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| FLIR | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| |
| |
| 기술 | |
| 영어 명칭 | forward looking infra-red, FLIR |
| 설명 | 전방 감시 적외선 (FLIR)은 물체에서 방출되는 적외선을 감지하여 이미지를 생성하는 열화상 카메라의 일종이다. 이 기술은 주로 군사, 항공, 법 집행 및 감시 분야에서 사용된다. |
| 작동 원리 | FLIR은 대상에서 방출되는 적외선 에너지를 감지하여 열화상으로 변환한다. 이 열화상은 인간의 눈으로 볼 수 없는 온도 차이를 시각적으로 표현하여 물체를 식별하고 상황을 파악하는 데 도움이 된다. |
| 용도 | |
| 군사 | 야간 투시경 목표물 탐지 정찰 미사일 유도 |
| 항공 | 항법 수색 및 구조 화재 감지 활주로 감시 |
| 법 집행 | 감시 범죄 현장 조사 도주자 추적 |
| 기타 | 건물 에너지 효율 진단 의료 진단 산업 공정 모니터링 자동차 야간 운전 보조 시스템 |
| 추가 정보 | |
| 주의 | FLIR은 FLIR 시스템즈의 상표이다. |
2. 설계
적외선은 범위에 따라 기본적으로 장파장 적외선과 중파장 적외선의 두 가지로 나눌 수 있다.[2]
장파장 적외선(LWIR) 카메라는 때때로 "원적외선"이라고도 불리며, 8~12 μm에서 작동하여 뜨거운 엔진 부품이나 인간 체온과 같은 열원을 수 킬로미터 떨어진 곳에서도 감지할 수 있다.[2] 장파장 적외선은 적외선이 공기와 수증기에 의해 흡수, 산란, 굴절되기 때문에 장거리 관측이 더 어렵다.[2] 일부 장파장 카메라는 검출기를 냉각해야 하며, 일반적으로 사용 전에 몇 분 동안 극저온 냉각이 필요하다. 하지만 일부 중간 정도의 감도를 가진 적외선 카메라는 이러한 냉각이 필요하지 않다.
중파장(MWIR) 카메라는 3~5 μm 범위에서 작동한다.[2] 이러한 주파수는 수증기 흡수의 영향을 덜 받기 때문에 거의 동등한 성능을 보이지만, 일반적으로 더 비싼 센서 어레이와 극저온 냉각이 필요하다.[2]
많은 카메라 시스템은 디지털 화상 처리를 사용하여 영상 품질을 향상시킨다.[2] 제조 공정의 한계로 인해 적외선 이미징 센서 어레이는 종종 픽셀 간 감도가 매우 불일치하다.[2] 이를 해결하기 위해 각 픽셀의 응답은 공장에서 측정되고, 대부분 선형 변환이 측정된 입력 신호를 출력 레벨에 매핑한다.[2] 일부 회사는 가시광선 영상과 적외선 영상을 결합하여 단일 스펙트럼 영상보다 나은 결과를 생성하는 고급 "융합" 기술을 제공한다.[2]
2. 1. 장파장 적외선 (LWIR)
적외선은 범위에 따라 장파장 적외선과 중파장 적외선으로 나뉜다. "원적외선"이라고도 불리는 장파장 적외선(LWIR) 카메라는 8 ~ 12 µm에서 작동하며, 뜨거운 엔진 부품이나 인간 체온의 열을 수 킬로미터 밖에서도 볼 수 있다.[2] 그러나 적외선 빛이 공기나 수증기에 의해 흡수되고, 산란하고, 굴절되기 때문에 중파장 적외선 카메라에 비해 장거리 시야 확보가 어렵다.[2] 몇몇 장파장 FLIR는 탐지기에 극저온 냉각이 필요하지만, 적당히 민감한 FLIR는 극저온 냉각이 필요 없는 제품도 생산되고 있다.[2]2. 2. 중파장 적외선 (MWIR)
적외선은 범위에 따라 장파장 적외선과 중파장 적외선으로 나눌 수 있다. 중파장 적외선(MWIR) 카메라는 3 ~ 5 µm 범위에서 작동한다.[2] 중파장 적외선 카메라는 수증기 흡수로부터 영향을 덜 받기 때문에 장파장 적외선 카메라와 다르게 장거리 시야 확보가 용이한 편이지만, 일반적으로 더욱 비싼 감지기 배열과 극저온 냉각이 필요하다.[2]많은 FLIR 시스템은 영상 품질을 향상시키기 위해 디지털 화상 처리를 사용한다.[2] 제조 공정에서 제한 때문에, FLIR 센서 배열은 종종 픽셀로부터 픽셀로 거칠게 불일치하는 감광도를 가진다. 이것을 개선하기 위해, 각 픽셀의 반응이 공장에서 측정되고, 대부분 선형인 변형물은 측정된 입력 신호를 출력 수준으로 측량한다.[2]
2. 3. 영상 처리
많은 FLIR 시스템은 영상 품질을 향상시키기 위해 디지털 화상 처리를 사용한다.[2] 제조 공정상의 한계로 인해 FLIR 센서 배열은 픽셀 간 감도가 불일치하는 경우가 많다.[2] 이를 보정하기 위해 각 픽셀의 반응을 공장에서 측정하고, 측정된 입력 신호를 출력 레벨에 매핑하는, 대부분 선형인 변환을 사용한다.[2] 가시광선 영상과 적외선 영상을 결합하는 "융합" 기술을 통해 더 나은 결과를 얻을 수도 있다.[2]3. 특징
FLIR는 자체적으로 에너지를 방출하지 않고, 물체에서 나오는 열을 감지하므로 적에게 탐지될 가능성이 매우 낮다.[3] 또한, 열을 감지하기 때문에 위장하기 어렵다.[3] 연기, 안개, 연무 등 가시광선 카메라로는 보기 어려운 환경에서도 더 많은 것을 볼 수 있다는 장점도 있다.[3]
그러나 FLIR를 사용하면 적군과 아군을 구별하기 어려워 아군에게 오인 사격하는 상황이 발생할 수 있다. 특히 한국군의 경우 이러한 아군 오인 사격 문제는 더욱 심각하게 받아들여야 할 문제이다.
4. 용어의 어원
"전방 감시"라는 용어는 "푸시 브룸" 영상 장치로 알려진 측면 추적 적외선 시스템으로부터 FLIR 시스템을 구별하기 위해 사용된다. 이러한 시스템은 일반적으로 항공기나 위성에 사용된다. 1차원 픽셀 배열을 사용하며, 항공기나 위성의 움직임을 이용하여 2차원 영상을 생성한다. 이러한 시스템은 실시간 영상에는 사용할 수 없고, 비행 방향에 수직으로 봐야 한다. 어느 정도까지 측면 추적 적외선 시스템은 "전방 감시" 영상 시스템의 발달로 쓸모없게 되었다.
"전방향"이라는 용어는 고정된 전방향 열화상 시스템을 측면 추적 적외선 시스템(일명 "푸시브룸" 이미저) 및 기타 열화상 시스템(짐벌 장착 이미징 시스템, 휴대용 이미징 시스템 등)과 구분하기 위해 사용된다. 푸시브룸 시스템은 일반적으로 항공기와 위성에 사용되었다.
측면 추적 이미저는 일반적으로 1차원(1D) 픽셀 어레이를 포함하며, 항공기 또는 위성의 움직임을 사용하여 1D 어레이의 시야를 지면 위로 이동시켜 시간 경과에 따라 2D 이미지를 구축한다. 이러한 시스템은 실시간 이미징에 사용할 수 없으며 이동 방향에 수직으로 보아야 한다.
4. 1. 측면 추적 적외선 시스템 (Side-Looking Infrared System)
"전방 감시"라는 용어는 "푸시 브룸" 영상 장치로 알려진 측면 추적 적외선 시스템으로부터 FLIR 시스템을 구별하기 위해 사용된다. 이러한 시스템은 일반적으로 항공기나 위성에 사용된다. 1차원 픽셀 배열을 사용하며, 항공기나 위성의 움직임을 이용하여 2차원 영상을 생성한다. 이러한 시스템은 실시간 영상에는 사용할 수 없고, 비행 방향에 수직으로 봐야 한다.5. 역사
1956년, 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)는 적외선 기술 연구를 시작하여 여러 선 스캐너 계약을 체결했고, 두 번째 스캔 미러를 추가하여 1963년 최초의 전방향 적외선 카메라를 발명했으며, 1966년부터 생산을 시작했다. 1972년, TI는 공통 모듈 개념을 도입하여 비용을 크게 절감하고 공통 부품의 재사용을 가능하게 했다.
6. 기본 원리
상온 범위 내의 물체는 주로 원적외선(파장 6-15 마이크로미터) 영역에서 열복사를 한다. FLIR(전방 감시 적외선)는 이 영역의 빛을 감지함으로써, 광원의 유무에 관계없이 사용할 수 있다는 점에서 가시광선 TV 장치나 미광(微光) 야시경 장치보다 우수하다. 또한 온도와 적외선 방사율에 따라 물체를 정밀하게 조사할 수 있으므로, 식생이나 위장에 의한 은폐에 대한 대응책으로도 기대할 수 있다.
6. 1. 작동 방식
상온 범위 내의 목표는 주로 원적외선(파장 6-15 마이크로미터) 영역에서 열복사를 한다. FLIR는 이 영역의 빛을 감지함으로써, 광원의 유무에 관계없이 사용할 수 있다는 점에서 가시광선 TV 장치나 미광(微光) 야시경 장치보다 우수하다. 또한 온도와 적외선 방사율에 따라 물체를 정밀하게 조사할 수 있으므로, 식생이나 위장에 의한 은폐에 대한 대응책으로도 기대할 수 있다.초기에 사용되었던 직렬 처리(serial processing) 방식의 시스템에서는 작은 적외선 센서로 2차원 시야 전체를 스캔하기 위해, 俯仰각 방향과 방위각 방향 각각 한 장씩의 스캔 거울을 사용하여 래스터 스캔을 수행했다. 이 시스템에서 화면 해상도는 스캔 라인 내의 샘플 수와 평행선 간격에 의해 결정되었다. 그 후, 미세 가공 기술의 발전에 따라 적외선 센서가 1차원 직선형 어레이가 되면서, 센서 어레이의 각 소자가 하나의 각도 세그먼트를 담당하고 일련의 측정값을 취합함으로써 거울이 한 장으로 줄어들었다. 이 시스템을 병렬 처리(parallel processing) 방식이라고 한다. 더욱 집적 회로화가 진행되어 적외선 센서가 초점면 검출 소자 2차원 어레이(FPA)가 되면, 장치 자체의 스캔 기구는 생략되고 시야 전체를 순간적으로 포착할 수 있게 되었다.
열선 영상 장치에는 FLIR 외에도 하방 감시형 적외선 장치(down looking infrared, DLIR)라고 불리는 방식이 있다. 이것은 항공기 등 플랫폼에 1차원 적외선 라인 스캐너(IRLS)를 설치하고, 그 진행에 따라 영상을 구성하는 것이다. 또한, 적외선 탐색 추적 시스템(IRST)은 목표를 영상으로서가 아니라 점으로 인식하고, 이를 추적하는 기능에 중점을 두고 있다는 점에서, FLIR과는 원칙적으로 다르지만, 예를 들어 AN/AAQ-40 EOTS(F-35 전투기의 센서)와 같이 FLIR과 IRST를 적절히 바꿔 사용할 수 있는 시스템도 등장하고 있다.
6. 2. 하방 감시형 적외선 장치 (DLIR)
6. 3. 적외선 탐색 추적 시스템 (IRST)
7. 용도
FLIR는 다양한 용도로 활용된다. 군사 작전에서는 적군을 탐지하고,[19][20] 표적을 획득 및 추적하며, 야간 작전을 수행하는 데 사용된다.[19] 특히 한국군의 경우, 북한의 위협에 대응하기 위한 핵심 기술로 활용된다.
항공 분야에서는 저시정 상황에서 항공기 조종을 돕고, 계기 비행(IFR)을 유도하는 데 사용된다.[19] 소방 작전 시에는 연기나 벽을 투과하여 생존자 위치를 파악하고, 발화 원인을 탐지하는 데 활용된다.[19] 수색 및 구조 활동에도 사용되는데, 특히 산림 지역이나 수중에서 실종자를 찾는 데 유용하다.[19]
감시 목적으로는 불법 이민자를 감지하거나, 야생 동물을 감시하는 데 사용될 수 있다. 또한, 도로 위의 동물들을 감지하여 운전자에게 경고하는 시스템에도 활용된다.[4] 에너지 관리 측면에서는 건물 단열 결함을 감지하고, 에너지 손실을 찾아내어 HVAC 효율을 최적화하는 데 기여한다. 산업 현장에서는 전기 설비의 결함이나 과열 부위를 감지하여 사고를 예방한다.
자연 감시 분야에서는 유역 온도 및 야생 동물 서식지를 모니터링하고,[5][20] 활화산을 감시하며,[22] 천연 가스 누출을 탐지하는 데 사용된다.[21]
기타 용도로는 마약 제조소 및 실내 대마초 재배자를 수색하는 데 활용될 수 있다. 특히 한국에서는 마약 범죄 단속에 활용될 수 있다.
8. 가격
FLIR 장비의 가격은 극적으로 떨어졌다. 구식 카메라 설계는 작은 센서로 영상을 스캔하기 위해 회전 반사경을 사용했지만, 현대 카메라는 더 이상 이 방법을 사용하지 않아 가격이 낮아졌다.[6][7][8] 많은 향상된 비행 시각 시스템(EFVS 또는 EVS) 제품에서 사용할 수 있는 비냉각 기술은 유사한 성능을 유지하면서 이전의 냉각 기술 가격의 일부분으로 비용을 절감했다.[9] EVS는 서러스 및 세스나 항공기부터 대형 비즈니스 제트기까지 많은 고정익 및 회전익 운영자들에게 빠르게 주류 기술이 되고 있다.[10]
9. 법적 문제 및 윤리적 고려 사항
2001년 미국 대법원은 ''킬로 대 미국(Kyllo v. United States)'' 사건 판결에서 법 집행 기관이 수색 영장 없이 열화상 카메라를 이용하여 사유지를 감시하는 것은 수정헌법 제4조를 위반한다고 판결했다.[11] 반면, 2004년 ''R 대 테슬링(R. v. Tessling)'' 판결에서 캐나다 대법원은 경찰의 항공기 탑재 FLIR 감시가 수색 영장 없이 허용된다고 판결했다.[12] 캐나다 대법원은 FLIR이 수집한 데이터가 거주자의 개인 정보를 드러내지 않았으므로 권리와 자유 헌장에 따른 테슬링의 권리를 침해하지 않는다고 판단했다.
FLIR 기술은 범죄 수사에도 활용된다. 2014년 6월, 캐나다 왕립 기마 경찰(Royal Canadian Mounted Police) 대원 세 명을 살해한 저스틴 부르크(Justin Bourque)를 수색하는 데 FLIR 센서가 장착된 항공기가 사용되었다.[13] 또한, 2015년 볼티모어 시위(2015 Baltimore protests) 기간 동안 FBI는 FLIR 비디오 증거 수집을 위한 항공 감시 임무를 수행했다.[14][15] 그러나 미국 시민 자유 연맹(ACLU)은 이러한 감시 기술 도입에 대해 우려를 제기했다.[16][14]
한국에서도 FLIR 기술 사용에 대한 법적 규제와 윤리적 고려가 필요하다. 개인의 사생활 보호와 공공의 안전 사이의 균형을 찾는 것이 중요하며, 특히 시위 진압 및 범죄자 검거 과정에서 FLIR를 활용하는 것은 인권 침해 논란을 야기할 수 있다.
10. 한국에서의 활용 및 발전
한국군은 FLIR 기술을 활용하여 야간 및 악천후 상황에서의 작전 능력을 강화하고 있으며, 북한의 비대칭 전력에 대응하고 있다.[4] 특히, K2 전차, K9 자주포, FA-50 경공격기 등 한국군 주력 무기 체계에 FLIR 시스템이 탑재되어 운용되고 있다.[5]
FLIR는 산불 감시, 해상 조난 사고 수색 등 재난 상황에서도 활용된다.[19] 2019년 강원도 산불 당시 FLIR를 장착한 드론이 산불 진화 및 잔불 감시에 큰 역할을 하기도 하였다. 또한, 주요 산업 시설에서는 FLIR를 활용하여 설비의 이상 유무를 점검하고, 사고를 예방하고 있다.[20][21][22]
한국은 FLIR 기술의 고도화를 위해 지속적인 연구 개발 투자를 하고 있으며, 인공지능, 머신러닝 등 첨단 기술과의 융합을 통해 더욱 지능화된 FLIR 시스템 개발에 주력하고 있다.
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Blackview BV9800 Pro Featuring FLIR Lepton Thermal Camera Available Now
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赤外線によるニホンジカ空中センサス法の開発
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