AIDT 온디바이스 국방 MUM-T 전자광학/적외선(EO/IR) 지향성 적외선 방해장비(DIRCM) 양축 김벌 양자 폭포 레이저 재밍 서보 엔진

1. 개요

현대 공중전에서 휴대용 대공 미사일(MANPADS) 및 적외선 호밍 단거리 공대공 미사일은 유인 전투기와 MUM-T 무인 편대기의 가장 치명적인 위협입니다. 적외선 시커(Seeker)는 항공기의 고온 엔진 배기구와 동체 열원을 맹렬히 추적합니다. 이에 대응하는 지향성 적외선 방해장비(Directional Infrared Countermeasures, DIRCM)는 미사일 경보 센서(Missile Warning System, MWS)로부터 위협 미사일의 발사 위치를 0.1초 내에 인계(Hand-off)받아, 초소형 초고속 2축 김벌 헤드를 위협 미사일의 돔 렌즈 정면으로 정확히 지향시킨 후 고출력 중적외선(MWIR) 양자 폭포 레이저(QCL) 펄스를 방사합니다. 레이저 빔은 적 시커의 변조 디스크(Reticle)나 초점면 배열(FPA)을 기만 및 맹목화(Dazzling/Blinding)시켜 유도 오차를 극대화합니다. 본 고에서는 10,000Hz 주기로 시선각(LOS) 오차를 수렴하고 최적 재밍 파형 코드를 레이저 드라이버에 인가하는 0-Alloc C# 엔진을 구현합니다.

2. 수학적 모델링 및 지배 방정식

위협 미사일의 시선각(LOS) 벡터 \(\vec{r}_{los}\) 및 방위각(\(\psi\)), 고저각(\(\theta\)) 오차 역학 방정식은 다음과 같습니다:

\dot{\vec{r}}_{los} = \vec{v}_{target} - \vec{v}_{own}, \quad \Delta \psi = \arctan\left(\frac{r_y}{r_x}\right) - \psi_{gimbal}, \quad \Delta \theta = \arcsin\left(\frac{r_z}{\|\vec{r}\|}\right) - \theta_{gimbal}

2축 토크 모터 구동 김벌 전달함수 및 역기전력 결합 2차 동역학 방정식은 다음과 같습니다:

J_a \ddot{\theta}_{g}(t) + D_a \dot{\theta}_{g}(t) = K_t I_{cmd}(t) - T_{disturb}(t)

적외선 시커 FPA 면에서의 광학 포화 재밍 방사 조도(Irradiance) \(E_{jam}\) 및 기만비(Jammer-to-Signal Ratio, JSR) 조건은 다음과 같습니다:

E_{jam} = \frac{P_{laser} \cdot \tau_{atm}(R) \cdot \tau_{opt}}{\pi (R \cdot \theta_{beam}/2)^2} \ge JSR_{crit} \cdot E_{target\_flare}

시선각 추적 오차 억제 한계 조건 부등식은 다음과 같습니다:

\sqrt{\Delta \psi^2 + \Delta \theta^2} \le \frac{1}{3} \theta_{beam\_divergence} \quad (\approx 0.5\text{ mrad})

3. 실시간 C# 서보 제어기 구현

다음은 MWS 위협 좌표를 인계받아 마이크로초 단위로 김벌 구동기와 다파장 레이저 출력을 통제하는 무할당 C# 엔진 구현체입니다:

DircmOptronicServoEngine.cs

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.DIRCM
{
    public readonly ref struct DircmSensorFrame
    {
        public readonly double TargetAzimuthMrad;
        public readonly double TargetElevationMrad;
        public readonly double GimbalAzimuthMrad;
        public readonly double GimbalElevationMrad;
        public readonly double TargetRangeMeters;
        public readonly double MissileApproachingSpeedMps;

        public DircmSensorFrame(
            double targetAzimuthMrad,
            double targetElevationMrad,
            double gimbalAzimuthMrad,
            double gimbalElevationMrad,
            double targetRangeMeters,
            double missileApproachingSpeedMps)
        {
            TargetAzimuthMrad = targetAzimuthMrad;
            TargetElevationMrad = targetElevationMrad;
            GimbalAzimuthMrad = gimbalAzimuthMrad;
            GimbalElevationMrad = gimbalElevationMrad;
            TargetRangeMeters = targetRangeMeters;
            MissileApproachingSpeedMps = missileApproachingSpeedMps;
        }
    }

    public ref struct DircmControlCommand
    {
        public double AzimuthTorqueNm;
        public double ElevationTorqueNm;
        public double TrackingErrorMrad;
        public double LaserModulationFreqHz;
        public bool IsJammingBeamActive;
        public bool IsTargetLockedInBeam;
    }

    public ref struct DircmOptronicServoEngine
    {
        private readonly double _kp;
        private readonly double _kd;
        private readonly double _beamDivergenceMrad;
        private double _prevAzErr;
        private double _prevElErr;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public DircmOptronicServoEngine(double kp, double kd, double beamDivergenceMrad)
        {
            _kp = kp;
            _kd = kd;
            _beamDivergenceMrad = beamDivergenceMrad;
            _prevAzErr = 0.0;
            _prevElErr = 0.0;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ComputeTrackingAndJamming(in DircmSensorFrame frame, double dt, out DircmControlCommand cmd)
        {
            cmd = default;
            double azErr = frame.TargetAzimuthMrad - frame.GimbalAzimuthMrad;
            double elErr = frame.TargetElevationMrad - frame.GimbalElevationMrad;

            double azDeriv = (azErr - _prevAzErr) / dt;
            double elDeriv = (elErr - _prevElErr) / dt;
            _prevAzErr = azErr;
            _prevElErr = elErr;

            double tAz = (_kp * azErr) + (_kd * azDeriv);
            double tEl = (_kp * elErr) + (_kd * elDeriv);

            double totalErr = Math.Sqrt((azErr * azErr) + (elErr * elErr));
            bool locked = totalErr <= (_beamDivergenceMrad * 0.5);

            // Swept-frequency jamming code when locked
            double modFreq = locked ? 1500.0 + 500.0 * Math.Sin(totalErr * 10.0) : 0.0;

            cmd.AzimuthTorqueNm = tAz;
            cmd.ElevationTorqueNm = tEl;
            cmd.TrackingErrorMrad = totalErr;
            cmd.LaserModulationFreqHz = modFreq;
            cmd.IsJammingBeamActive = locked && frame.TargetRangeMeters < 5000.0;
            cmd.IsTargetLockedInBeam = locked;
        }
    }
}

4. 교육 및 실무 적용 방안

국방과학연구소(ADD) 및 항공전자 연구진: DIRCM 초고속 지향 김벌 제어 루프 및 위협 미사일 적외선 시커 기만 메커니즘 교육.
차세대 유무인 복합 전투기 생존성 체계: 전술 항공기 및 스텔스 무인 편대기의 생존성을 극대화하는 온디바이스 능동 방호 체계 탑재.