[논문]함정 표면 적외선 신호에 대한 해양기상 영향분석

김윤식

doi:10.3744/snak.2012.49.3.264

함정 표면 적외선 신호에 대한 해양기상 영향분석
A Study on the Infrared Signature of a Naval Ship under the Marine Climate 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.3, 2012년, pp.264 - 272

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A study on the IR(InfraRed) signature of a naval ship has been performed using well known IR signature analysis software, ShipIR/NTCS. Variations of the IR signature radiated from skins of a naval ship have been investigated according to the monthly averaged marine climate conditions. An unclassified destroyer model with and without applying the washdown system was applied to compare the influence on the signature under the background changes. The marine background models were created from the observed data by a buoy of Korea Meterological Administration(KMA). The sensitivity of the ship signature against the climate variables such as air temperature, sea temperature, relative humidity has been studied as well. The seasons which show extreme(max, min) skin signature change by whether the washdown is applied or not. The sensitivities of the air temperature and the sea temperature for a dry-ship reversed by applying the washdown on the ship surfaces.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기상청에서 운용하는 부이에서 관측된 해양기상데이터를 이용하여 동해의 월별 해양기상모델을 생성하고, 월별 함 표면신호의 변화 특성을 해석적 방법을 이용하여 고찰하였다. 또한 해양기상변수들에 대한 함 표면신호의 민감도 특성을 고찰하였으며, 본 연구를 통한 주요 결과를 정리하면 Table 3과 같다.
해양 기상변화에 따른 함 신호변화 특성의 분석을 위해 기상변수들의 월간변화에 따른 신호 변화, 주요 기상변수들의 변화에 따른 신호의 변화 특성을 분석함으로써 함 설계과정에 적용되는 해석조건 설정 및 측정을 위한 기초자료를 제공할 수 있도록 하였다. 일반적으로 해양기상변수들은 같이 변화한다.

가설 설정

일반적으로 해양기상변수들은 같이 변화한다. 그러나 본 연구에서는 해양기상변수들 각각의 영향을 별도로 검토하기 위해 기상변수들이 각각의 표준편차 범위 내에서 독립적으로 변화한다고 가정하였다. 이와 같은 해양기상변화에 따라 함 표면의 적외선신호 변화 특성을 상용 S/W를 이용한 해석적 방법으로 분석하였다.
ShipIR은 정상상태(steady state) 해석만을 지원한다. 따라서 해양환경 및 함 운용특성 등 모든 조건을 고정된 상태로 가정하고 해석을 수행한다. 그리고 폐기가스 모델의 적용을 통해 추진기관 등의 폐기가스로 인한 신호를 해석할 수 있으나, 본 연구에서는 추진기관의 폐기가스 모델을 적용하지 않고, 표면 신호 특성만을 고찰하였다.
관측된 데이터에는 날씨(구름 및 강우) 조건을 확인할 수 있는 데이터가 포함되어 있지 않다. 이로 인해 맑은 날에 해당하는 데이터만 별도로 추출하지 못하고 전체 데이터의 평균과 표준편차를 구하였으며, 해석과정에서는 맑은 날씨로 가정하고 해석에 적용하였다. Fig.

제안 방법

따라서 해양환경 및 함 운용특성 등 모든 조건을 고정된 상태로 가정하고 해석을 수행한다. 그리고 폐기가스 모델의 적용을 통해 추진기관 등의 폐기가스로 인한 신호를 해석할 수 있으나, 본 연구에서는 추진기관의 폐기가스 모델을 적용하지 않고, 표면 신호 특성만을 고찰하였다. 그 이유는 폐기가스에 의한 신호는 다양한 해양기상 변수들에 대하여 상대적으로 그 민감도가 작고, 대상함에 설치된 것으로 보이는 신호저감 장치(IRSS)의 정확한 성능데이터를 확보할 수 없었기 때문이다.
따라서 본 연구에서는 함 표면신호가 가장 커지는 조건으로써 태양고각=30°조건을 적용하였다.
즉, 월별 상대풍향이 변할 수 있고, 이로 인해 함 표면에서 발생하는 대류열전달의 영향이 같이 변할 수 있는 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 해양환경모델 생성과정에는 태양광의 해수면 산란현상 등을 반영하기 위해 관측 평균치 등을 그대로 적용하고, 함의 표면에서 발생하는 대류열전달 해석모델에서는 제외하여 함속에 의한 상대풍의 영향만을 고려하도록 설정하였다. 즉, 함속 = 상대풍속, 상대풍향 = 0°(함수풍)이 되도록 설정하여 상대풍향/풍속의 변화가 다른 요소들의 영향 검토에 미치는 효과를 제거하였다.
앞 절과 같이 극좌표 그래프를 이용한 방위별 분석은 특정 조건에 대한 세밀한 분석은 용이하지만 다양한 조건들에 대한 비교 분석용으로 활용하기는 적절치 못하다. 따라서 이후의 해석결과 비교과정에서는 각 조건별 해석결과에서 최대 신호값만 추출하여 비교하도록 한다.
그 외의 기상변수들도 거의 동일한 결과를 확인하였다. 따라서 주야간 구분 없이 전체 평균을 주간조건으로 설정하여 해석을 수행하였다.
이와 같은 해양기상변화에 따라 함 표면의 적외선신호 변화 특성을 상용 S/W를 이용한 해석적 방법으로 분석하였다. 또한 함의 운용특성 중 함속변화와 함 표면에 선체해수냉각 시스템의 적용에 따른 신호변화 특성 및 기상변수들에 대한 민감도(sensitivity)를 비교 분석하였다.
부이가 설치된 위치에서 매월 15일을 기준으로 태양고각=30°조건을 만족하는 태양방위각을 계산하면 Table 2와 같다. 월별로 해당조건을 만족하는 시각을 기준으로 해석을 수행하였다.
이상과 같이 월별 평균조건과, 기온, 수온, 상대습도에 대해 각각 평균(μ)±표준편차(σ) 조건에 대한 기상모델을 생성하여 각 기상요소의 변화에 따른 함표면의 대비복사세기의 변화특성을 고찰하였다.
그러나 본 연구에서는 해양기상변수들 각각의 영향을 별도로 검토하기 위해 기상변수들이 각각의 표준편차 범위 내에서 독립적으로 변화한다고 가정하였다. 이와 같은 해양기상변화에 따라 함 표면의 적외선신호 변화 특성을 상용 S/W를 이용한 해석적 방법으로 분석하였다. 또한 함의 운용특성 중 함속변화와 함 표면에 선체해수냉각 시스템의 적용에 따른 신호변화 특성 및 기상변수들에 대한 민감도(sensitivity)를 비교 분석하였다.
즉, 함속 = 상대풍속, 상대풍향 = 0°(함수풍)이 되도록 설정하여 상대풍향/풍속의 변화가 다른 요소들의 영향 검토에 미치는 효과를 제거하였다.
이 조건은 함의 정우현에 태양이 위치함으로써 함의 가장 넓은 면에 태양복사를 통한 가열이 발생하도록 하기 위함이다. 함속은 순항속력 = 18knots, 최대속력 = 30knots 조건에 대해 각각 해석을 수행하였다.
해석 조건은 주간조건으로 설정하였으며, 부이가 설치된 위치에서 매월 15일을 기준으로 태양고각 = 30° 조건을 만족하는 시각을 기준으로 하였다.
해석을 위한 카메라의 관측대역은 중적외선 대역(MWIR, 3-5μm)과 원적외선 대역(LWIR, 8-12μm)에 대해 해석을 수행하였으며, 카메라의 고각은 sea-skimming 미사일의 특성을 반영하여 고각 = 0°조건을 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에 적용한 해석 대상함은 공개된 형상자료를 쉽게 구할 수 있고, 비교적 최근에 건조되는 일반적인 함정의 형태를 갖춘 함중에서 선정하였다. 국내 함정의 경우 해석결과가 보안자료로 취급될 수 있는 점 등을 감안하여 국외의 함정 중 중국의 Type 052C 이지스 구축함(Lanzhow Class)(Saunders, 2005, p.125)을 해석 대상함으로 선정하였다. 형상데이터는 인터넷의 자료(TurboSquid, 2012)를 구입하여 일부 수정(단순화) 후 활용하였으므로 정확한 형상이라 할 수는 없으나 공개된 사진 자료(Fig.
본 연구에 적용한 해석 대상함은 공개된 형상자료를 쉽게 구할 수 있고, 비교적 최근에 건조되는 일반적인 함정의 형태를 갖춘 함중에서 선정하였다. 국내 함정의 경우 해석결과가 보안자료로 취급될 수 있는 점 등을 감안하여 국외의 함정 중 중국의 Type 052C 이지스 구축함(Lanzhow Class)(Saunders, 2005, p.
이 연구에서는 ‘동해’ 부이(No. 5, 동해시 동쪽 80km 해상, 37.53°N/130.0°E)에서 2001년-2010년까지 10년간 자동 관측된 데이터를 활용하였다.
적외선 신호 해석을 위한 해양 환경조건은 기상청에서 제공하는 부이 기상관측자료를 활용하였다. 기상청에서는 해양 기상관측을 위해 8개의 부이를 국내 연안에 설치 운영하고 있다(KMA, 2011).
표면의 페인트의 광학적 특성은 정확한 자료를 확보할 수 없음으로 인해 ShipIR과 같이 제공되는 페인트 자료(‘darkgrey', 'soot', 'waterwash' 등)를 적용하였다.
5에 나타낸 것과 같다. 해석 모델은 약 10,000개의 표면격자로 구성되어 있다.

이론/모형

본 연구에서는 함의 적외선신호 해석을 위해 ShipIR(Version 3.5)을 이용하였다. ShipIR은 환경모델 해석을 위해 MODTRAN과 연계하여 대기 및 태양복사 등의 해석결과를 활용하고 자체적인 대류/전도 열전달 현상을 해석할 수 있는 기능을 포함하고 있다(Davis, 2002).
해석을 위한 카메라의 관측대역은 중적외선 대역(MWIR, 3-5μm)과 원적외선 대역(LWIR, 8-12μm)에 대해 해석을 수행하였으며, 카메라의 고각은 sea-skimming 미사일의 특성을 반영하여 고각 = 0°조건을 설정하였다. 신호해석을 위한 거리는 NATO의 표준해석 조건(Vaitekunas, 2005)을 적용하여 거리 = 1km 조건을 적용하였다.
상부갑판의 다양한 탑재장비들은 제외하고 해석용 3D 모델을 생성하였다. 함의 표면격자(surface mesh)는 Gridgen을 이용하여 생성하였으며 그 결과는 Fig. 5에 나타낸 것과 같다. 해석 모델은 약 10,000개의 표면격자로 구성되어 있다.
이상과 같이 월별 평균조건과, 기온, 수온, 상대습도에 대해 각각 평균(μ)±표준편차(σ) 조건에 대한 기상모델을 생성하여 각 기상요소의 변화에 따른 함표면의 대비복사세기의 변화특성을 고찰하였다. 해양환경모델에 대한 대기투과도, 태양 및 대기복사 특성에 대한 해석과정에는 MODTRAN4(Berk, et al., 1999)를 적용하였다.

성능/효과

'Dry-ship' 해석결과, 두 대역에서 공통적으로 나타나는 현상으로는 첫째, 월별 해양기상변화에 따라 함 신호값의 변화가 매우 큰 폭으로 변화한다. 둘째, 순항조건과 최대속도의 함 표면신호는 매우 큰 차이를 나타낸다. 이러한 현상은 함속 변화에 따른 상대풍속의 변화에 기인한 것으로 파악된다.
이상과 같이 세 개의 기상변수의 변화에 따른 함 표면신호의 변화특성을 보면 기상변수들이 표준편차 범위 내에서 변화하더라도 최대/최소 신호값을 나타내는 시기(월)는 변화하지 않고 그대로 유지된다. 즉, 'dry-ship'의 경우 중적외선 대역은 9-10월, 원적외선 대역은 3-4월에 최대값을 나타내며, 선체해수냉각을 적용한 경우는 12-1월에 최대값을, 7-8월에 최소값을 나타내는 특성을 보이고 있다.
이러한 현상은 함속 변화에 따른 상대풍속의 변화에 기인한 것으로 파악된다. 즉, 대류열전달 현상의 변화에 따라 매우 큰 폭으로 함 신호가 변화할 수 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

5-9월의 중적외선대역 신호에서 일부 미세한 역전현상이 나타나지만 대부분의 경우 기온변화 방향과 신호변화 방향은 동일하게 나타나는 것으로 파악된다. 5-9월의 역전현상은 다른 기상변수들의 영향인지, MODTRAN 해석 시 적용되는 모델의 영향인지는 추가적인 확인이 필요할 것으로 생각된다. 높아진 기온으로 인해 대류열전달과 대기복사로 인한 열전달량이 상승하여 함 표면신호를 증가시킨 것으로 생각된다.
따라서 다양한 시험조건에 대한 측정 데이터 확보와 이를 통한 검증절차가 반드시 필요할 것으로 사료된다. 그리고 해석의 정확도 향상을 위해 ShipIR과 같이 경험식을 이용한 대류열전달 계수 계산법(Davis, 2002)을 대신하여 CFD와 연계한 해석법 등에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.
해석용 S/W에 적용된 대류열전달 해석 모듈 및 MODTRAN4를 이용한 태양, 대기복사 및 대기투과도 등이 복합적으로 영향을 미친 것으로써 각 해석모듈이 개선되면 부분적인 경향변화를 보일 가능성이 있음에 유의할 필요가 있다. 따라서 다양한 시험조건에 대한 측정 데이터 확보와 이를 통한 검증절차가 반드시 필요할 것으로 사료된다. 그리고 해석의 정확도 향상을 위해 ShipIR과 같이 경험식을 이용한 대류열전달 계수 계산법(Davis, 2002)을 대신하여 CFD와 연계한 해석법 등에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.
그리고 기온, 수온 등 특정 기상변수 만으로 최대(또는 최소) 신호 조건(월/계절)을 예상할 수 없다는 것을 의미한다. 여러 기상변수들의 복합적인 영향에 의한 신호변화특성은 추가적으로 면밀한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
이상의 결과는 상용 S/W를 이용한 해석결과임에 유의할 필요가 있다. 해석용 S/W에 적용된 대류열전달 해석 모듈 및 MODTRAN4를 이용한 태양, 대기복사 및 대기투과도 등이 복합적으로 영향을 미친 것으로써 각 해석모듈이 개선되면 부분적인 경향변화를 보일 가능성이 있음에 유의할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함 외부의 해양기상조건 중 적외선 신호에 영향을 미치는 주요 요소는?	함 외부의 해양기상조건 중 신호에 영향을 미치는 주요 요소로는 태양 및 구름(일조량), 기온, 수온, 습도, 풍향/풍속을 들 수 있다(Vaitekunas, 2010). 그리고 함 자체의 영향은 함 운용특성(운용 추진기관, 함속, 침로)과 표면페인트의 광학적 특성(Gil, et al.
	일반적으로 함정의 적외선 신호를 나타내는 종속변수로 적용되는 대비복사세기란 무엇인가?	일반적으로 함정의 적외선 신호를 나타내는 종속변수(a dependent variable)는 대비복사세기(CRI, Contrast Radiant Intensity)를 적용한다. 이 값은 함 전체에서 방사되는 적외선 대역 신호와 동일 대역의 배경(background) 신호 간 차이 값을 의미한다. 이로 인해 해양환경은 함 표면과 에너지 교환과정을 통해 직접적으로 영향을 미치고, 대비복사세기 산출시 배경의 역할을 함으로써 간접적으로도 함의 신호에 영향을 미치게 된다.
	적외선 신호에 영향을 미치는 함 자체의 영향 주요 요소는?	함 외부의 해양기상조건 중 신호에 영향을 미치는 주요 요소로는 태양 및 구름(일조량), 기온, 수온, 습도, 풍향/풍속을 들 수 있다(Vaitekunas, 2010). 그리고 함 자체의 영향은 함 운용특성(운용 추진기관, 함속, 침로)과 표면페인트의 광학적 특성(Gil, et al., 2007), 함 표면 냉각을 위한 선체해수냉각(washdown) 시스템의 운용 등을 들 수 있다. 해상의 기상변수들은 월간 변화(또는 계절적 변화)에 따라 크게 변화한다.

참고문헌 (18)

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Wikipedia, 2012. Type 052C destroyer. [Online] Available at: http://en.wikipedia.org/wiki/Type_052C [Accessed 20 March 2012].

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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