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항공요격 기술의 성능은 관련 첨단 기술의 발전에 따라 급격하게 향상되었으며, 현재 항공 무기체계의 우위를 결정하는 가장 중요한 기술 가운데 하나이다. 따라서 고성능의 유도 시스템들이 일부 선진국에 의해 경쟁적으로 개발되며 실용화되고 있다. 그러나 선진국으로부터 관련 기술의 이전이나 관련 부품의 획득은 거의 불가능하기 때문에 독자적인 유도무기체계의 연구 개발과 기반 기술의 확보가 시급한 실정이다[1].
항공요격 기술의 핵심 분야 가운데 하나인 유도탄은 목표를 명중하기 위해 외부의 지령이나 자체 내부의 기계적 작동에 의해 목표를 향해 접근하도록 설계된다. 유도탄은 기체, 추진기관, 탄두 그리고 유도 조정장치로 구성되어 있다. 유도(guidance)의 목적은 목표물과 유도탄과의 상대 위치를 구하고, 예상되는 지점에서 위치 오차를 최소화하는 것이다. 유도 조정장치는 유도탄의 두뇌에 해당하는 핵심 부분으로 목표 지점까지 정확히 유도하기 위한 신호를 조정장치로 보내는 역할을 담당한다[2].
유도 방식은 관성(inertial) 유도, 명령 (...

항공요격 기술의 성능은 관련 첨단 기술의 발전에 따라 급격하게 향상되었으며, 현재 항공 무기체계의 우위를 결정하는 가장 중요한 기술 가운데 하나이다. 따라서 고성능의 유도 시스템들이 일부 선진국에 의해 경쟁적으로 개발되며 실용화되고 있다. 그러나 선진국으로부터 관련 기술의 이전이나 관련 부품의 획득은 거의 불가능하기 때문에 독자적인 유도무기체계의 연구 개발과 기반 기술의 확보가 시급한 실정이다[1].
항공요격 기술의 핵심 분야 가운데 하나인 유도탄은 목표를 명중하기 위해 외부의 지령이나 자체 내부의 기계적 작동에 의해 목표를 향해 접근하도록 설계된다. 유도탄은 기체, 추진기관, 탄두 그리고 유도 조정장치로 구성되어 있다. 유도(guidance)의 목적은 목표물과 유도탄과의 상대 위치를 구하고, 예상되는 지점에서 위치 오차를 최소화하는 것이다. 유도 조정장치는 유도탄의 두뇌에 해당하는 핵심 부분으로 목표 지점까지 정확히 유도하기 위한 신호를 조정장치로 보내는 역할을 담당한다[2].
유도 방식은 관성(inertial) 유도, 명령 (command) 유도, 호밍 (homing) 유도, 빔 편승 (beam riding) 방사 등으로 구분된다. 이 중에서 호밍 유도는 표적에서 반사되거나 방출되는 에너지를 이용하는 유도 기술로서 유도탄 자신이 외부의 도움 없이 목표를 포착, 추적한다. 그리고 표적 자체에서 방사되는 에너지원을 유도 지령에 이용하는 수동 (passive) 방식과, 레이더나 레이저와 같이 유도탄이 신호를 조사하여 표적으로부터 반사되는 정보를 이용하는 능동 (active) 방식, 두 가지 방법이 혼합된 형태인 반능동 (semi-active) 방식 등이 있다. 조정장치는 유도 장치로부터 전달된 신호를 실제 비행체가 원하는 방향으로 비행하도록 조정면을 동작시키는 역할을 한다[1,3,4].

특히 유도 조정장치 중에서 눈의 역할을 하는 탐색기 (seeker)는 대상 표적(target)을 찾고 확인한 다음, 표적을 추적 (tracking)하는 매우 중요한 장치이다. 사용되는 표적 신호의 특성에 따라 초고주파 (microwave) 탐색기, 밀리미터파(millimeter wave) 탐색기, 적외선 (Infrared
IR) 탐색기, 레이저 (laser) 탐색기 등으로 구분된다.
이 중에서 표적의 열원(heat source)을 이용하여 추적 (tracking)을 하는 적외선 탐색기는 수동 수신과 야간에도 작동이 가능한 장점 때문에 단거리 공대공 유도 무기에 가장 많이 운용되고 있다[5,6,7].
대표적인 적외선 탐색기로는 한 개의 검출기를 사용하는 레티클 (reticle) 탐색기와 회전 광학계에 의한 주사 (scanning) 방식의 로젯 주사 (rosette scan) 탐색기가 있다. 레티클은 검출기 앞에 장착되어 집속 수광된 표적 신호를 변조하여 위치 정보를 구하는 동시에 배경 신호등을 필터링하는 기능을 한다. 그리고 레티클 방식은 신호처리가 간단하며 단소자 검출기 (single detector)를 사용함으로써 가격이 싸고 구성이 용이하여 초기 열 추적 미사일에 많이 사용되었다. 최근에는 반도체 집적 기술의 비약적인 발전으로 고밀도 (high density) 고해상도의 적외선 검출 소자 배열 (Focal Plane Array
FPA)이 개발되고 있다. 이러한 소자를 사용하여 얻은 열영상 (thermal image)으로부터 영상 처리 기법을 통해 표적을 추적해 가는 탐색기들이 연구되고 있으나, 고가이며 제작과정이 복잡하여 일부 기술선진국에서만이 연구가 진행되고 있다.
그러나 일반적인 단소자 검출기 (single detector)에서는 표적과 섬광탄에 의해 방사 (radiation)된 적외선 신호가 단소자 적외선 검출기 (single IR detector) 에 함께 입력되므로 표적 신호만을 분리하는 것은 매우 어렵다. 따라서 추적으로부터 자신을 보호하기 위해 운용되고 있는 섬광탄 (flare)과 같은 대응능력(countermeasure) 에 많은 영향을 받는 단점이 있다[8-14]. 한편 회전 광학계에 의한 주사 (scanning) 방식의 로젯 주사 (rosette scan) 탐색기는 광학계의 회전 속도와 방향에 따른 주사 영상을 얻을 수 있고, 레티클 탐색기보다 큰 전체시계(Total Field Of View
TFOV)와 작은 순시시계 (Instantaneous Field Of View
IFOV)를 가지므로 다중 표적에 대한 위치 판별이 쉽고 신호처리가 간단하다는 장점을 가지고 있다[15,16].
과학 기술은 미사일의 유도 시스템과 함께 표적 자체를 보호하기 위한 대응능력(countermeasure
CM)에도 발전을 가져왔다. 이러한 대응능력은 채프 (chaff), 섬광탄과 같은 디코이(decoy) 시스템, ECM (Electronic Countermeasure)과 재머 시스템 등으로 분류된다. 현재 실전 배치중인 디코이로는 러시아의 BVP-30-23MM와 미국의 AN/ALE-47이 각각 전투기에 탑재되어 운용되고 있다. 또한 SORBTSIYA는 러시아의 SU-27에 탐재된 재머이며, AN/ALQ-178은 F-16에 탐재된 ECM 이다. 특히 디코이와 재머는 적외선 방출에 의해 미사일의 표적 추적을 방해하기 때문에 이에 대한 영향을 배제할 수 있도록 적외선 탐색기는 반대응 능력(counter-countermeasure
CCM)을 확보해야 한다[17,18,19].
본 논문에서는 날로 발전하고 있는 표적의 대응 능력에 대처하기 위한 호밍 유도 방식의 탐색기(seeker)에 대한 연구이다. 단소자 적외선 탐색기(single IR detector)는 적외선 하나의 대역을 이용하여 표적 신호를 검출한다. 적외선 대역에서는 표적 (target)과 섬광탄 (flare)으로부터 에너지가 모두 방사된다. 이들로부터 방사되는 적외선을 검출하여, 표적 신호만을 얻기 위한 신호처리를 통하여 탐색기 시계 내에서 표적의 상대 위치 오차를 구한다. 이 오차 정보가 미사일 서보 시스템으로 입력되어 미사일의 호밍 유도가 가능해진다.
그러나 이러한 단소자 방식의 탐색기는 표적과 섬광탄이 모두 적외선 대역의 에너지를 주로 방사하고 있으므로, 정확한 표적 신호의 분리가 어렵다. 섬광탄은 그 기능을 다할 수 있는 최고 온도에 도달하기 위해서는 일정시간이 경과되어야 하며, 표적과 동일한 방사량을 방출하는 시점을 갖게 된다. 따라서 탐색기는 이들 신호로부터 올바른 표적 신호를 얻을 수 없어 추적에 실패하게 된다. 또한 복수 소자를 이용한 적외선 탐색기로서, 두 개의 적외선 대역을 이용한 추적방식은 표적의 적외선 방사특성이 주로 분포된 하나의 대역과 섬광탄의 방사특성이 주로 분포된 또 하나의 적외선 대역을 사용하여 표적을 분리해 내는 방식이다. 그러나 이러한 표적 신호 추출 방법 역시 표적과 섬광탄이 모두 적외선 대역의 에너지를 주로 방사하고 있으므로 각 사용 대역의 선정에 어려움이 있다. 적외선의 모든 대역에서 섬광탄의 방사 에너지가 표적에 비해 상대적으로 높기 때문에 두 신호의 정확한 분리를 위한 연구도 진행되고 있다[20]. 이들 기법들이 가지는 공통적인 문제는 적외선 대역만을 사용함으로 생기는 표적과 섬광탄 신호의 구별이 명확하지 않다는 것이다.
현재 선진국에서는 앞서 설명한 적외선 하나의 대역만을 이용한 표적 추적 기법의 한계를 극복하기 위하여 적외선 이외의 대역을 이용한 표적 추적 기법들이 연구되고 있다. 이들 연구 중에는 적외선 대역과 자외선 (ultraviolet
UV) 대역, 적외선 대역과 밀리미터 파 (millimeter wave) 대역을 동시에 이용하는 방법들이 있다. 이들의 장점은 표적 및 섬광탄의 구별이 용이하다는 것이다. 즉, 표적과 섬광탄은 그 특성상 방사되는 에너지의 분포가 다르기 때문이다. 그 중 적외선과 자외선 대역을 이용한 기법은 현재 개량형 스팅거 (stinger) 미사일에 장착되어 사용되고 있다.
결론적으로 표적이 운용하는 대응능력에 효과적으로 대처하기 위해서는 대상 표적과 섬광탄 등에서 나오는 신호를 정확히 분리하여 표적의 신호만을 검출하는 연구가 필요하다. 또한 표적으로부터의 다양한 대응능력에 대처하기 위한 반대응 능력 (counter-countermeasure
CCM)의 연구 역시 매우 필요한 연구이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 관련 연구가 기술 선진국에서 이미 활발히 진행되고 있으며, 이는 향후 항공요격 기술의 우위를 결정하는 매우 중요한 연구가 될 것이다. 따라서 이러한 첨단 항공 요격 기술의 독자적인 국내 기술 확보는 매우 시급한 실정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A infrared (IR) seeker, mounted on the thermal tracking missile, identifies a
position of a target by detecting and processing the thermal energy radiated
from the target. Among the various IR seekers, the rosette scanning infrared
seeker (RSIS) is a tracker that a single detector scans ...

A infrared (IR) seeker, mounted on the thermal tracking missile, identifies a
position of a target by detecting and processing the thermal energy radiated
from the target. Among the various IR seekers, the rosette scanning infrared
seeker (RSIS) is a tracker that a single detector scans the total field of view
(TFOV) in a rosette pattern. The rosette pattern is achieved by means of two
counter-rotating optical elements such as prisms, tilted mirrors, or
off-centered lenses. Since the rosette pattern is nonlinear, the shape of the
detected target image are depends on the position in the TFOV. In order to
distinguish the target from false targets, previous studies presented IR
counter-countermeasure (IRCCM) techniques based on image-processing
algorithms such as the moment technique and the K-means algorithm (KMA). The conventional IRCCM using the moment technique takes an average of
the target position over scanning time. This method distinguishes the target
from the flare by setting the detection threshold at the average intensity of
the previously detected target signal. The flare may have a similar intensity
level to the target signal, since its intensity varies with time. In that case the
RSIS cannot discriminate the target from the flare, resulting in eventual failure
to track the target.
The conventional IRCCM using the KMA classifies the pixels of the detected
image into two clusters: the target and the flare, then tracks only the target
clusters. Because the clustering process requires various iterative operations,
however, the method is not suitable for real-time processing.
In this dissertation, we present a new two-color CCM of rosette scan
seeker. There are many differences of the radiation energy distributions of
both the target and the flare at the total wavelength band including IR,
visible, UV, etc. In other words, the target mainly radiates energy in the IR
band due to the thermal property of the surface, while the flare does in both
the IR and the UV. Therefore, the output of an UV detector may be regarded
as the radiation energy of the only flare, and we can separate the target from
the flare using the radiation in the UV band. In order to select UV band that
can exactly detect the target in the presence of CM such as the flare, we
analyze the atmospheric transmittance, the effect of ozone, and the emission
energy of the target engine. In both UV and IR bands, we analyze the radiant
signatures of the target, the flare, and the clear sky.
Based on the radiant signatures of the target, the flare and the background,
we can extract only the target signal from the output sequence. If the amplitudes of pulses in both bands at the same timing position have opposite
signs with respect to each reference level, the seeker can regard those as
the target signals.
The input signal by each detector is mixed with target, flare, backgrounds
and noises. In order to analyze the pulse signal features on input sequence,
we should determine the reference level of pulses in UV and IR bands.
However, due to the influence of noise, it is difficult to determine the
reference level. If any wrong reference level is selected, we cannot extract
the pulse signal features precisely, and then the false target signal may be
recognized as the target signal. In this paper, we extract the target signal
from the input sequences using the reference level. The simulation results
show that the proposed method can obtain the exact location of the target in
spite of the presence of the flare.
And this dissertation presents a dynamic simulation loop that gives tracking
results of UV/IR 2-color seeker. Our simulation tool includes the target/flare
model and a proportional navigation guidance (PNG) loop. Because of the
relative simplicity of the guidance concept and its implementation, PNG is
employed to most air-to-air homing missile for interception of the target.
PNG provides the missile the shortest flight path to the intercept point in the
end game. The tracking performances of the UV/IR 2-color seeker system
and the flare effects are analyzed in various engagement scenarios.
The simulation results prove that the proposed counter-countermeasure
algorithm for 2-color seekers using UV/IR bands is capable of removing flare,
and of tracking target more effectively than the conventional IRCCMs using a
single element detector. Future work will include a robust algorithm to determine the reference level
under various background conditions such as clouds.

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