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문제 정의
- 본 논문에서는 초고주파 센서에 대한 표적분석 기 술과 관련 소프트웨어의 개발결과에 대하여 기술하였다. 여러가지 표적분석 기술을 적용한 표적 분석 소 프트웨어는 앞에서 언급한 바와 같이 여러 센서와 표 적의 다양한 조우 조건을 시뮬레이션 할 수 있도록 설계되었으며, RCS 값의 계산뿐만 아니라 1, 2차원 영상을 통한 산란점 분석이 가능하도록 RPASAR 분석 기능을 동시에 개발하였다.
제안 방법
- 레이다 표적기술은 크게 RCS 계산 기술과 RP/ ISAR 분석 기술로 나누어진다. RCS 계산은 저주파 해석기술과 고주파 해석기술로 세분화되며, 고주파 해석 기술은 이미 잘 알려진 바와 같이 PO(Physical Optics)와 GO(Geometrical Optics)를 사용하고 회절 파 해석기법인 PTD(Physical Theory of Diffraction) 과 GTD (Geometrical Theory of Diffraction) 기법을 추가하여 끝단에서 회절파를 계산한다. 고주파 해석기법은 표적이 파장에 비하여 충분히 크고 형상 의 변화가 적은 경우에 사용한다.
- RTSA는 RTSG에서 생성된 RCS 계산 결과를 전 시하거나 RP/ISAR 신호처리 결과를 전시하기 위한 것으로 그림 7에서와 같이 왼쪽에 여러가지 plot을 생성할 수 있는 tree 구조와 데이터 선택 윈도우로 이루어졌으며, 전시 데이터의 선택은 0, 0, 주파수, 편파와 같이 매우 복잡한 선택사항을 간단하게 선택 할 수 있도록 데이터를 표시하고 사용자가 데이터의 구간을 선택하도록 하였다.
- 그림에서 알 수 있듯이 원거리에서는 GO에 의한 RCS 값으로 수렴하며, 근거리로 접근할수록 RCS 값이 커짐을 알 수 있다. 계산을 위한 설정조건이 문헌 ⑹의 설정조건과 동일하며 동일한 계산 결과를 얻어 짐을 확인하였다.
- 근접전계 RCS는 산란 체로부터 매우 가까운 거리에서 발생하는 리액턴스 성분을 포함하는 RCS가 아니라 표적과 송수신 위치 간의 거리가 원전계 조건을 만족하지 않는 경우의 RCS를 지칭한다. 근접전계에서의 RCS를 계산할 때 에는 표적을 구성하는 면을 작게 분할하여 각각의 면 이 송수신점으로부터 원전계 조건을 만족하여 각각의 면에는 원전계에서와 동일한 방법으로 RCS를 계산한다. 각 면에 대한 원전계 계산결과에 송수신점과의 거리를 고려하여 위상을 반영하면 근접전계에서의 RCS를 얻게 된다.
- 그러나 이 방법 역시 다각형의 공통영역을 구하는 알고리즘이 매우 정확하고 여러가지 조건에서 안정적으로 동작하여야만 실제 적용이 가능하다. 본 개발 기술에서는 (가)의 방법을 선택하였고 오류와 계산시간을 최소화할 수 있는 알고리즘을 개발하여 적용하였다.
- 또 경우에 따라서는 상대적인 거리가 원전계 조건을 만족하지 않는 경우도 발생한다. 본 표적분석 소프트 웨어에서는 이러한 센서와 표적의 기동특성을 반영할 수 있도록 센서의 선형운동, 표적의 선형운동 및 회 전운동을 모델링하여 입력할 수 있도록 설계하였다. 표적의 재질특성은 그림 4와 같이 다층구조로 정의할 수 있으며, 사용자는 각각의 충의 재질특성을 주파수 의 함수로 정의할 수 있다.
- 표면 재질은 다층구조를 기본으로 사용자가 각층의 두께와 비유전율, 비투 자율을 정의할 수 있다. 비유전율과 비투자율은 주파 수의 함수이므로 ASCII 데이터 파일을 통한 입력이 가능하도록 설계되었다.
- 특히 계산 결과의 연속성과 대칭성을 쉽게 확인할 수 있다. 소프트웨어의 시험에서는 기본형 코 너 반사판과 함께 그림 8과 같이 변형된 코너반사판 을 사용하여 예측기술을 시험하고 보완하였다. 그림 에서 육면체 B, C, D가 A의 그림자 영역에 속하는 각도에서 RCS를 계산한 결과는 육면체 B, C, D가 없는 경우의 RCS와 동일하여야 하므로 별도의 측정 을 하지 않고 RCS 계산 기법이 정상적으로 동작하 는지를 확인할 수 있다.
- RCS의 계산에는 PO 기법과 광선추적(Ray Tracing) 기법이 사용되었으며, RP/ISAR 영상 생성에는 MP(Matrix Pencil) 기법과 FFT(Fast Fourier Transform) 기법을 적용하였다. 시뮬레이션에 사용될 표적은 CAD 모델로 제작하여 평면으로 재구성한 후에 RCS의 계산에 적용되었다. RCS 계산기법은 코너 반사판, 비행체 형상의 모델에 적용하여 실용성을 확인하였으며, 얻어진 RCS 데이터를 이용하여 ISAR 영상이 얻어짐을 확인하였다.
- 본 논문에서는 초고주파 센서에 대한 표적분석 기 술과 관련 소프트웨어의 개발결과에 대하여 기술하였다. 여러가지 표적분석 기술을 적용한 표적 분석 소 프트웨어는 앞에서 언급한 바와 같이 여러 센서와 표 적의 다양한 조우 조건을 시뮬레이션 할 수 있도록 설계되었으며, RCS 값의 계산뿐만 아니라 1, 2차원 영상을 통한 산란점 분석이 가능하도록 RPASAR 분석 기능을 동시에 개발하였다. RCS의 계산에는 PO 기법과 광선추적(Ray Tracing) 기법이 사용되었으며, RP/ISAR 영상 생성에는 MP(Matrix Pencil) 기법과 FFT(Fast Fourier Transform) 기법을 적용하였다.
- 첫 번째 소프트웨어 는 블록 1과 블록 2의 RCS 계산기능으로 이루어져 있으며, 두 번째 소프트웨어는 블록 2의 RP/ISAR 영상생성 기능과 데이터 전시 기능을 포함한다. 이들 소프트웨어의 이름은 각각의 기능을 참고하여 RTSG (Radar Target Signature Generator) 와 RTSA(Radar Target Signature Analyzer)로 정하였다.
- 지금까지 초고주파 센서 표적의 특성분석을 위한 RCS 계산, RPZISAR 영상처리 및 소프트웨어의 설 계와 제작에 관한 기술개발 결과를 기술하였다. RCS 예측기술은 CAD 모델에 적용하여 효과적으로 적용 될 수 있음을 확인하였으며, ISAR 영상생성 기법 또한 성공적으로 적용하였다.
- Fourier 변환 기법에는 부엽수준을 줄이고 보간법에 의한 영상의 질을 개선하기 위하여 zero-padding 및 윈도우 기법을 적용할 수 있도록 하였다. 특히 그림 3과 같이 파수(wave number) 영역에서 방사선 상에 위치하는 RCS 데이터를 Fourier 변환에 적합하도록 사각형으로 변환하는 과정 (polar formatting)을 적용하여 ISAR 영상의 번짐 현상이 발생하지 않도록 하였다.
- 표적분석 소프트웨어의 기본 설계 개념은 자체적으 로 3차원 CAD 모델링, mesh 데이터 생성, RCS 계 산, RP/ISAR 영상생성과 데이터 전시 기능을 가지도 록 설계하였으며 주요 기능은 그림 5와 같다. 전체 소프트웨어는 기능별로 분류할 경우 다음 3개의 블록 으로 구성된다.
대상 데이터
- 표적의 각 요소에 의한 반사파의 분석에는 RP와 ISAR 영상을 사용한다. RP는 1차원 영상으로 임펄 스 형태의 송신 펄스를 사용하거나 대역폭의 넓은 주파수 변조형 펄스를 사용하여 얻을 수 있다.
- 0GHz이고 주파수 간격은 50MHz이다. 회전중심각도 45 및 90도이며 회전범위는 중심각도에서 ±18도를 0.3도 간격으로 회전하여 얻은 RCS 데이터를 사용하였다. (가)에서는 앞쪽에 위치한 원통의 입 구에서의 산란파와 원통 끝에서 발생하는 다중반사 파를 관찰할 수 있으며, 90도에서 얻어진 ISAR 영상 에서는 수직 꼬리날개와 원통의 측면으로부터 산란 이 일어남을 관찰할 수 있다.
이론/모형
- 표적분석 소프트웨어에는 Fourier 변환에 의한 기법과 MP 방법에 의한 기법을 모두 구현하여 적용하였다. Fourier 변환 기법에는 부엽수준을 줄이고 보간법에 의한 영상의 질을 개선하기 위하여 zero-padding 및 윈도우 기법을 적용할 수 있도록 하였다. 특히 그림 3과 같이 파수(wave number) 영역에서 방사선 상에 위치하는 RCS 데이터를 Fourier 변환에 적합하도록 사각형으로 변환하는 과정 (polar formatting)을 적용하여 ISAR 영상의 번짐 현상이 발생하지 않도록 하였다.
- RCSZRP/ISAR 기술의 정확성을 확인하기 위하여 다양한 지표 표적(benchmark taiget)을 사용하였다. 지표 표적은 구현된 알고리즘이 정상적으로 동작하는 지를 확인할 수 있는 것이어야 하는데 코너 반사판은 매우 유용한 지표 표적이다.
- 여러가지 표적분석 기술을 적용한 표적 분석 소 프트웨어는 앞에서 언급한 바와 같이 여러 센서와 표 적의 다양한 조우 조건을 시뮬레이션 할 수 있도록 설계되었으며, RCS 값의 계산뿐만 아니라 1, 2차원 영상을 통한 산란점 분석이 가능하도록 RPASAR 분석 기능을 동시에 개발하였다. RCS의 계산에는 PO 기법과 광선추적(Ray Tracing) 기법이 사용되었으며, RP/ISAR 영상 생성에는 MP(Matrix Pencil) 기법과 FFT(Fast Fourier Transform) 기법을 적용하였다. 시뮬레이션에 사용될 표적은 CAD 모델로 제작하여 평면으로 재구성한 후에 RCS의 계산에 적용되었다.
- 고주파 해석기법을 적용하여 표적에서의 전자파 산 란을 계산하면 저주파 기법보다 계산시간이 적게 걸 리기는 하지만 수십 미터에 이르는 실제 표적의 RCS 계산에는 효과적인 그림자 영역의 제거, 다중반사의 계산 등과 같은 기법을 구현하여야 한다. Xpatch의 경우에는 SBR(Shooting-and-Bouncing Ray) 기법 이 다중반사파의 계산에 사용되며, Zpatch와 GRECO 의 경우에는 컴퓨터 하드웨어를 이용한 화소(pixel) 단위의 그림자 처리 기법을 개발하여 사용하였다IM. 이러한 기법들은 그림자 처리에서 면과 면 사이의 차 를 구하는 과정과 다중 반사파의 계산에서 면과 면 사이의 공통영역을 구하는 과정의 복잡함을 회피하기 위하여 고안된 것이다.
- 데이터의 전시 기능은 방대한 양의 데이터를 효과적으로 전시할 수 있도록 XY plot, polar plot, RCS statistics plot, global plot, 0-(j)plot, spectral plot 등의 전시방법을 사용하였다. RCS statistics plot은 얻어진 RCS 데이터에서 사용자가 일정구간을 선택하 면 선택된 데이터의 확률분포를 전시한다.
- 고주파 해석기법은 표적이 파장에 비하여 충분히 크고 형상 의 변화가 적은 경우에 사용한다. 이에 반하여 표적 이 작거나 형상의 변화가 큰 경우에는 저주파 해석 기법인 MOM (Method~of-Moments), FEM(Finite Element Method), FD-TD(Finite Difference-Time Domain)를 사용한다. 표적이 큰 경우에도 표적 내에서 국부적으로 작은 산란체가 존재할 경우에는 고주 파 해석방법만으로는 해석이 부정확하거나 불가능할 수 있으므로 이런 경우에는 국부적으로 저주파 해석 법을 적용하는 복합기법을 사용한다w
- 이와는 달리 MUSIC, MP 등과 같은 방법은 작은 대역폭의 데이터로도 고해상도의 영상을 얻을 수 있는 반면에 주파수-도플러 영역과 거리 영역에서의 관계가 명확하지 않으나 좁은 각도와 주파수 대역폭 의 데이터에서 고해상도 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다. 표적분석 소프트웨어에는 Fourier 변환에 의한 기법과 MP 방법에 의한 기법을 모두 구현하여 적용하였다. Fourier 변환 기법에는 부엽수준을 줄이고 보간법에 의한 영상의 질을 개선하기 위하여 zero-padding 및 윈도우 기법을 적용할 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 시뮬레이션에 사용될 표적은 CAD 모델로 제작하여 평면으로 재구성한 후에 RCS의 계산에 적용되었다. RCS 계산기법은 코너 반사판, 비행체 형상의 모델에 적용하여 실용성을 확인하였으며, 얻어진 RCS 데이터를 이용하여 ISAR 영상이 얻어짐을 확인하였다. 또 다양한 방법에 의한 데이터 전시방법을 고안하여 RCS 데이터 분석에 활용할 수 있음을 확인하였다.
- 지금까지 초고주파 센서 표적의 특성분석을 위한 RCS 계산, RPZISAR 영상처리 및 소프트웨어의 설 계와 제작에 관한 기술개발 결과를 기술하였다. RCS 예측기술은 CAD 모델에 적용하여 효과적으로 적용 될 수 있음을 확인하였으며, ISAR 영상생성 기법 또한 성공적으로 적용하였다. RCS의 해석에는 고주파 기법을 사용하였으며, 거리 妥 송수신 위치를 일반화 하여 근접전계 RCS의 계산이 가능함을 입증하였다.
- RCS 예측기술은 CAD 모델에 적용하여 효과적으로 적용 될 수 있음을 확인하였으며, ISAR 영상생성 기법 또한 성공적으로 적용하였다. RCS의 해석에는 고주파 기법을 사용하였으며, 거리 妥 송수신 위치를 일반화 하여 근접전계 RCS의 계산이 가능함을 입증하였다. 그러나 표적의 모델링에 필요한 CAD 소프트웨어 설 계에 대한 원천 기술과 표적을 면으로 재구성하는 능 력은 국내 기술기반이 취약하여 실용적인 기술개발에 는 오랜 시간이 소요될 것으로 예상되었다.
- RP/ISAR 분석은 RTSG에서 계산된 결과에 RP/ ISAR 영상생성 기법을 적용하는 것으로, FFT의 경우에는 polar formatting의 적용여부, 내삽 및 외삽을 통한 데이터 확장 방법의 선택, 여러가지 윈도우 등의 선택옵션이 있고 MP의 경우에는 파라미터의 설 정에 의한 전체 계산 영역이 모두 필요하지 않은 경우 보고자 하는 영역만 설정하면 계산시간을 줄여서 결과를 확인할 수 있다.
- 그림 18은 RCS 계산에 사용되는 탱크의 CAD 형 상이다. 그림 19는 계산된 RCS 결과로서 약 8만개의 면으로 이루어진 CAD 모델에 대하여 1개의 각도에서 약 280초의 계산 시간이 소요되었다. 컴퓨터는 Intel사의 Zeon CPU (2.
- RCS 계산기법은 코너 반사판, 비행체 형상의 모델에 적용하여 실용성을 확인하였으며, 얻어진 RCS 데이터를 이용하여 ISAR 영상이 얻어짐을 확인하였다. 또 다양한 방법에 의한 데이터 전시방법을 고안하여 RCS 데이터 분석에 활용할 수 있음을 확인하였다.
- 그림 6은 제작된 모델링 및 RCS 시뮬레이션 소프 트웨어인 RTSG이며 그림 7은 RP/ISAR 및 데이터 전시 소프트웨어인 RTSA이다. 모델링은 CAD에서의 기본 형상인 선, 면, 입방체의 입력과 수정 및 변형이 가능하며, RCS 시뮬레이션 기능은 Analysis 메뉴에 종합되어 있다. 다중 쓰레드(multi-thread)는 1~4까 지 선택할 수 있다.
- 그림 12(가)는 얻어진 RCS 데이터에 FFT(Fast Fourier Transform) 기법만을 적용한 것으로 회전중심에서 멀어질수록 영상의 번짐 현상이 발생함을 알 수 있으며 원점에 위치한 것도 높은 부엽수준을 나타내고 있다. 이 데이터에 polar formatting, zero padding과 Hamming window 함 수를 적용하면 그림 12(나)와 같이 영상의 번짐현상 이 제거되었고 부엽수준도 감소하였음을 알 수 있으며, 윈도우 함수에 의한 분해능의 저하현상도 동시에 관찰할 수 있다.
후속연구
- 향후에는 RCS 예측에 고주파 해석기술뿐만 아니라 저주파 해석기술을 개발 하여 적용이 필요할 것으로 판단되며, 특히 근접전계 예측기술의 경우에는 실제에 가까운 표적에 대한 입 증이 필요하지만 방대한 측정시설이 요구되므로 효과적인 입증 및 적용연구가 필요할 것으로 예상된다. 개발된 기술은 향후 NCTR, ATR 및 스텔스 등 표 적신호 관련 기술의 개발에 기여하는 바가 적지 않을 것으로 예상되며, 현재 개발된 소프트웨어에 대한 다양한 시험 및 보완을 통하여 완성도 높은 소프트웨어 의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 표적의 모델링에 필요한 CAD 소프트웨어 설 계에 대한 원천 기술과 표적을 면으로 재구성하는 능 력은 국내 기술기반이 취약하여 실용적인 기술개발에 는 오랜 시간이 소요될 것으로 예상되었다. 또 고비 용의 다중 CPU에 의한 병렬 처리기술의 구현보다는 저가의 컴퓨터를 이용한 clustering 기술을 활용하는 것이 보다 효율적일 것으로 판단되었으며, 관련 기술 의 개발 필요성이 요구되었다. 향후에는 RCS 예측에 고주파 해석기술뿐만 아니라 저주파 해석기술을 개발 하여 적용이 필요할 것으로 판단되며, 특히 근접전계 예측기술의 경우에는 실제에 가까운 표적에 대한 입 증이 필요하지만 방대한 측정시설이 요구되므로 효과적인 입증 및 적용연구가 필요할 것으로 예상된다.
- 또 고비 용의 다중 CPU에 의한 병렬 처리기술의 구현보다는 저가의 컴퓨터를 이용한 clustering 기술을 활용하는 것이 보다 효율적일 것으로 판단되었으며, 관련 기술 의 개발 필요성이 요구되었다. 향후에는 RCS 예측에 고주파 해석기술뿐만 아니라 저주파 해석기술을 개발 하여 적용이 필요할 것으로 판단되며, 특히 근접전계 예측기술의 경우에는 실제에 가까운 표적에 대한 입 증이 필요하지만 방대한 측정시설이 요구되므로 효과적인 입증 및 적용연구가 필요할 것으로 예상된다. 개발된 기술은 향후 NCTR, ATR 및 스텔스 등 표 적신호 관련 기술의 개발에 기여하는 바가 적지 않을 것으로 예상되며, 현재 개발된 소프트웨어에 대한 다양한 시험 및 보완을 통하여 완성도 높은 소프트웨어 의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
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