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문제 정의
- 그리고 설계과정에서 설정된 신호 목표치에 대한 평가 및 검증을 위해 건조된 함정에 대한 성능평가를 수행한 사례는 국내에서는 전무한 실정이다. 국내 함정에 대한 스텔스 성능평가의 필요성이 증대됨에 따라 적외선 신호 계측 및 결과분석을 위한 연구가 수행 중이며 관련연구 결과 중 일부를 본 논문에 기술하였다.
가설 설정
- 각 해상시험 조건에서 측정된 주요 환경데이터는 Table 1과 같다. 1차, 2차 측정환경은 기온, 습도 등이 유사하며 3차 측정은 함정 적외선 해석조건에서 가정한 적외선 신호의 배경대비 복사강도가 최대인 조건과 비교적 유사한 조건에서 수행되었다.
제안 방법
- 기동조건 측정 시 대상함의 침로는 주간에 태양의 영향을 최대로 받을 수 있도록 설정함으로써 태양광에 의해 함의 선체에서 방사되는 적외선 신호가 최대값에 가까운 조건이 되도록 설정하였다. 즉, 측정시간대의 태양방위각 ± 함의 침로= 90°조건을 만족하도록 침로를 설정함으로써 가급적 넓은 지역이 태양광으로 인해 가열될 수 있도록 설정하였으며 지원함은 대상함의 예상경로 인근(거리=약 1km)에 위치하여 대상함의 측면(좌현 또는 우현)의 적외선 이미지를 얻는 방식을 취하였다.
- 적외선 이미지는 초당 60프레임으로 저장한 후 분석과정을 통해 신호 값으로 변환하였다. 기준온도로 설정된 흑체(blackbody)를 대상함에 설치하고 대상함과 지원함 간의 거리를 약 1km까지 변화시키며 측정된 흑체 적외선 신호를 이용하여 대기투과도 분석 및 거리에 따른 전달손실을 보정하였다(Kim, 2009).
- 즉, 측정시간대의 태양방위각 ± 함의 침로= 90°조건을 만족하도록 침로를 설정함으로써 가급적 넓은 지역이 태양광으로 인해 가열될 수 있도록 설정하였으며 지원함은 대상함의 예상경로 인근(거리=약 1km)에 위치하여 대상함의 측면(좌현 또는 우현)의 적외선 이미지를 얻는 방식을 취하였다. 대상함과 지원함의 상대방위와 거리 측정을 위하여 GPS장비가 각각 설치하였으며, 대상함 위치는 지원함으로 송신되어 대상함의 거리/상대방위를 모니터링하기 위하여 사용하였다.
- , 2002; Vaitekunas, 2005)으로서 대상함을 포함하는 영역과 배경만을 포함하는 영역에 대한 적외선 복사휘도를 구하고 대상함 포함영역의 값과 배경영역 값의 차이를 계산하여 대상함의 대비복사강도(CRI)를 추출하는 방법이다. 본 연구에서도 이 방법을 적용하였으며 또한 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 대상함의 실루엣(silhouette)을 직접 설정하여 복사휘도 및 투영면적을 구하여 CRI를 산출하는 방법도 병행하였다. 참고로 Fig.
- 해수온도는 대상함 또는 지원함에서 해수면 상의 수온을 측정하였다. 적외선 이미지는 초당 60프레임으로 저장한 후 분석과정을 통해 신호 값으로 변환하였다. 기준온도로 설정된 흑체(blackbody)를 대상함에 설치하고 대상함과 지원함 간의 거리를 약 1km까지 변화시키며 측정된 흑체 적외선 신호를 이용하여 대기투과도 분석 및 거리에 따른 전달손실을 보정하였다(Kim, 2009).
- 즉, 측정시간대의 태양방위각 ± 함의 침로= 90°조건을 만족하도록 침로를 설정함으로써 가급적 넓은 지역이 태양광으로 인해 가열될 수 있도록 설정하였으며 지원함은 대상함의 예상경로 인근(거리=약 1km)에 위치하여 대상함의 측면(좌현 또는 우현)의 적외선 이미지를 얻는 방식을 취하였다.
- 본 연구에서 수행한 함정 적외선 신호 분석 과정은 다음과 같다. 첫째 획득된 적외선 영상을 읽어 들인 후 복사특성 분석을 위한 파장대역, 렌즈 특성 데이터, 거리 등을 입력한다. 이후 획득된 적외선 이미지에서 적외선 대비복사강도(CRI, Contrast Radiant Intensity)를 얻는 과정은 두 가지 방법을 이용할 수 있다.
- CRI는 복사휘도(Radiance), 투영면적, 대기투과도(Atmospheric transmittance)에 의하여 결정된다. 측정 및 해석의 오차요소를 산출하기 위하여 산출하는 함정 복사휘도, 대기투과도 및 투영면적 각각에 대하여 비교를 수행하였다.
- 함정 적외선 신호 시험평가를 위한 초기연구로서 국내 실적함에 대한 적외선 신호 측정 및 동일 환경조건에 대한 해석을 수행하였으며 그 결과를 비교분석하였다.
- 함정 적외선 측정은 3회에 걸쳐서 실시되었으며, 적외선 측정시 동시에 계측된 환경데이터를 입력조건으로 환경특성 해석 및 함정 적외선 신호 해석을 수행하였다. 각 해상시험 조건에서 측정된 주요 환경데이터는 Table 1과 같다.
- 측정과 해석결과에 영향을 미치는 대기투과도는 적외선 신호가 전파되는 전달경로 상에서 손실로서 작용한다. 해석과정에서는 MODTRAN4를 이용하여 해석하였으며 측정과정에서는 기준 온도 소스인 흑체를 이용하여 거리별 측정을 통하여 대기투과도를 추출하였다. Fig.
- 2는 카메라와 환경데이터 계측 장비를 나타낸 것이다. 해수온도는 대상함 또는 지원함에서 해수면 상의 수온을 측정하였다. 적외선 이미지는 초당 60프레임으로 저장한 후 분석과정을 통해 신호 값으로 변환하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 적외선 카메라는 중적외선 대역(1.5~5.1μm), 원적외선 대역(7.7~11.5μm)을 각각 사용하였다.
- 5μm)을 각각 사용하였다. 카메라와 기상계측장비는 지원함 갑판에 설치되어 대상함이 시험 시나리오에 따라 결정된 침로와 속도로 기동하며 지원함 인근해역을 지나갈 때 적외선 이미지를 획득하였다. Fig.
데이터처리
- 함정 복사휘도는 표면온도와 방사율, 대기투과도에 의존하는 값으로서 배경에 따른 차이가 큰 CRI에 비하여 상대적으로 표면 자체의 복사특성을 가장 잘 정의할 수 있는 값으로 판단되며 측정 및 해석결과 비교결과를 Table 2에 나타내었다. 관련데이터의 비교는 해석치/계측치의 백분율을 사용하였다. 원적외선 대역은 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으나 중적외선 대역에 대한 결과는 비교적 큰 차이를 나타냄을 확인할 수 있다.
- 4에 나타낸 적외선 영상은 본 연구의 대상함이 아니고 사전시험시 취득한 영상을 나타낸 것이다. 두 방법으로 구한 CRI값은 큰 차이를 보이지 않으나 두 번째 방법을 통해서 배경이 포함되지 않은 함의 복사휘도를 추출할 수 있었으며 그 값을 해석결과와 비교하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 ShipIR/NTCS를 이용하였다. 이 S/W는 국내외 조선소, 국방관련 연구소 등에서 많이 이용되고 있다.
- 본 연구에서는 국내 연안의 특성 등을 고려하여 측정 지원함을 이용하는 함대함 측정법을 적용하였다. Fig.
- ShipIR/NTCS(Ship Infrared/Naval Threat Countermeasure Simulator)를 이용한 해석은 정상상태 열평형상태를 가정하여 해상환경조건 설정, 환경 내 대상함을 포함한 열전달 해석, 폐기 가스 모델을 포함한 적외선 대역 복사특성 해석을 포함하며 필요시 미사일 모델을 적용한 교전특성 해석을 수행하게 된다. 환경조건 설정에 따른 해석을 위하여 미 공군연구소에서 개발되어 사용되고 있는 대기투과 모델인 MODTRAN4(Berk, et al., 1989)를 이용하여 태양복사량, 대기복사량, 대기투과도 등에 대한 해석을 수행하였으며, 다양한 해수면 반사특성 모델 등을 적용하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 그림에서 0°는 함수방향을, 90°은 우현을 의미한다. 계측결과 분석과정에서 수작업으로 설정된 함의 투영면적은 함의 측면에서 해석결과와 가장 큰 차이를 보여주고 있음을 알 수 있다. 이러한 차이는 해석용 모델에서 누락된 일부 탑재 장비 등에 의한 부분과 촬영된 적외선 영상분석과정에서 함의 실루엣을 설정하는 과정에서 포함된 부분에 기인한 것으로 추정된다.
- 관련데이터의 비교는 해석치/계측치의 백분율을 사용하였다. 원적외선 대역은 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으나 중적외선 대역에 대한 결과는 비교적 큰 차이를 나타냄을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서 수행한 세 차례 측정 및 해석을 통한 CRI 비교결과를 Table 4에 정리하였다. 원적외선 대역은 해석 결과가 측정결과에 비해 낮게 예측하는 반면 중적외선 대역은 대체로 높게 예측하는 경향을 보이며 그 편차도 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 선진국에서는 적외선 감소, 해석 및 측정을 통한 비교 검증을 통한 연구가 10년 이상 지속되어 왔으나 국내에서는 최초로 수행되었다. 본 연구와 추가적으로 수행예정인 일련의 연구결과를 토대로 함정 적외선 시험평가를 위한 합리적이고 실질적인 방안을 모색하고 기존의 설계단계에서 추가로 고려되거나 측정단계에서 간과하였던 요소들을 식별하여 추후 반영할 예정이다.
- 그러나 국내에서 함의 적외선 신호를 체계적으로 계측하고 그 결과를 분석한 사례가 없음으로 인해, 적외선 신호 목표 설정과정에는 해상계측을 통한 데이터, 경험 등에 의한 피드백이 이루어지지 않고 있는 것이 현실이다. 이러한 부분은 함의 적외선 신호 계측경험 및 데이터 축적을 통해 지속적인 보완이 필요할 것으로 판단된다.
- 중적외선 대역의 대기투과도가 특히 큰 차이를 보임을 확인할 수 있다. 이러한 현상에 대한 정확한 원인분석은 현재까지 정리되지 못하였고 추가적인 연구 수행 시 보완할 예정이다.
- 현재의 측정결과와 해석결과는 다소 차이를 보임을 확인하였으며 정확한 원인분석을 위해서는 추가적인 연구가 지속적으로 필요할 것으로 판단된다. 현재까지 수행한 연구를 통해 두 결과의 차이에 기여한 것으로 추정되는 부분은 대략 다음과 같이 요약된다.
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