[논문]3축 자력계 Modeling & Simulation 및 수중무기체계 적용

임병선; 한승환; 김영길

doi:10.6109/jkiice.2014.18.12.3069

3축 자력계 Modeling & Simulation 및 수중무기체계 적용
3-Axis Magnetometer Modeling & Simulation and Implementation for Under Water Weapon System 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.18 no.12, 2014년, pp.3069 - 3078

임병선 (Department of NCW Engineering, Ajou University) , 한승환 (LIG Nex1 Co., Ltd.) , 김영길 (Department of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 다양한 수중무기폭발 체계 중 대표적인 비닉(庇匿) 무기체계인 기뢰를 중심으로 공격형 부설에 의한 억제 시 적함 탐지의 핵심이 될 자력계를 신규 Modeling & Simulation에 의해 성능 개선의 효과를 사전 검증한다. 또한, 신규 3축 자력계를 설계/제작/실험을 진행한 결과를 다룬다. 신규 자력계를 새로운 신형 수중무기체계에 적용하기 위해 상용 전자기장 수치해석 도구를 이용해 잠수함을 모델링하여 실 함정의 자기장특성을 예측한다. 실험의 마지막 단계로 축소 모형을 제작하여 실제 해상시험을 하지 않더라도 육상에서 성능검증 할 수 있는 방법을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research handles the performance improvement effect by the Modeling & Simulation and shows the design, implementation, test results of the new 3-axis magnetometer which is the core component of strategic offensive deploying mine. The submarine is modelled by using the commercial electromagnetic field analysis tool on numerical value, and its magnetic field characteristic is predicted in order to apply the new magnetometer to the future underwater weapon system. The method to take the performance test results of new 3-axis magnetometer in the land is shown instead of the real test result in sea by making the miniature submarine.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 신규 자력계를 새로운 신형 수중 무기체계에 적용하기 위해 상용 전자기장 수치해석 도구를 이용하여 전투용 수상함과 잠수함을 모델링하여 실 함정의 자기장특성을 예측하고, 축소 모형을 제작하여 실제 해상시험을 하지 않더라도 육상에서 성능검증 할 수 있는 방법을 제시한다. 또한, 신규 자력계가 새로운 수중무기체계에 적용될 때 감응을 위한 최대 성능이 발휘 될 수 있도록 무기체계를 구성하는 강자성 추진체 등이 자력계에 감도 저하를 야기 시킬 문제점 등은 없는지 분석해 본다.
본 연구에서는 다양한 수중무기폭발 체계 중 대표적인 비닉(庇匿) 무기체계인 기뢰를 중심으로 공격형 부설에 의한 억제 시 적함 탐지의 핵심이 될 자력계를 신규 Modeling & Simulation에 의해 성능 개선의 효과를 사전 검증하고 신규 자력계를 설계/제작/실험을 진행한 결과를 다룬다.

가설 설정

자력계가 탐지하는 대상함정은 수상함 전단 중 지휘 함정에 해당하는 호위함급 이상의 크기를 갖는 대형함정으로 가정하고, 그 입력 값은 실측된 IVM, ILM, IAM, PVM, PLM, PAM 각 채널값을 사용했으며, 수중매설된 기뢰의 자력계를 on-top으로 함정이 지나가는 것으로 시뮬레이션 했고, 결과는 다음 그림 4와 같다.

제안 방법

설계, 제작된 신규 3축 자력계의 성능을 측정하기 위해서는 실 전투용 수상함정이나 잠수함 등을 운용하며 Beam depth(선폭의 길이와 동일한 수심 깊이)에서 실측하여 자기장 데이터를 분석하여야 한다. 그러나, 해상시험을 하기 위해서는 군 협조 및 동원되어야 하는 시험세력(표적함정 포함)을 운용하기에는 무리가 따르므로, 육상에서 축소형 모형함정을 만들고 데이터를 얻기 위한 스캔장치를 설계, 제작하여 신규 3축 자력계를 이용하여 지구자기장하에서의 분포변화를 측정하였다.
국산 전력화된 재래식 기뢰는 체계 개발 이후 전력화 운용 기간이 20년이 넘었다. 당시 적용된 자력계는 다음 그림 3과 같이 2축 뿐이며, 자항기뢰와 같은 신규 수중무기체계에 적용될 자력계는 3축의 합성자기장 값을 모두 이용하여 자기장 총합을 완벽히 구현할 수 있도록 성능개선 해야 하고 Matlab 기반 시뮬레이션을 통해 2축과 3축 자력계의 탐지성능 차이를 먼저 확인하였다.
예를 들면 x-축을 중심으로 1°만 회전하여도 z-축 방향의 지구자기장 값이 y-축에 40,0000nT × sin(1°) 즉, 698 nT 가 변화하게 된다. 따라서 scan하는 동안 0.01도가 바뀌지 않게 설계를 하는 것이 매우 어렵기 때문에 본 연구에서는 피 측정 대상 물체(모형함정)가 움직이면서 자기장 분포를 측정하는 방법을 선택 하였다.
본 연구에서는 다양한 수중무기폭발 체계 중 대표적인 비닉(庇匿) 무기체계인 기뢰를 중심으로 공격형 부설에 의한 억제 시 적함 탐지의 핵심이 될 자력계를 신규 Modeling & Simulation에 의해 성능 개선의 효과를 사전 검증하고 신규 자력계를 설계/제작/실험을 진행한 결과를 다룬다. 또한 신규 자력계를 새로운 신형 수중 무기체계에 적용하기 위해 상용 전자기장 수치해석 도구를 이용하여 전투용 수상함과 잠수함을 모델링하여 실 함정의 자기장특성을 예측하고, 축소 모형을 제작하여 실제 해상시험을 하지 않더라도 육상에서 성능검증 할 수 있는 방법을 제시한다. 또한, 신규 자력계가 새로운 수중무기체계에 적용될 때 감응을 위한 최대 성능이 발휘 될 수 있도록 무기체계를 구성하는 강자성 추진체 등이 자력계에 감도 저하를 야기 시킬 문제점 등은 없는지 분석해 본다.
따라서 자기장의 성분(X, Y, Z값)을 측정하지 않고 3축 자력계를 이용하여 Total field를 측정하면 기뢰의 착저 자세와 무관하게 측정이 가능하게 된다. 또한, 기존 2축 자력계는 Power on drift가 2nT/100s 이상이라서 초기 감응 후 알고리즘 등의 신호처리 시간 등을 고려하여 자력계에 상시 전원을 공급하고 자기장을 측정하였지만, 신규 3축 자력계는 Power on drift가 2nT/100s보다 작기 때문에 전원을 켬과 동시에 초기감응에 대응할 수 있으므로 자력계에 필요시에만 전원을 공급하여 동작전원의 소비 전력을 감소하는데 큰 도움이 되도록 설계 되었다.
구조물을 조이는 볼트 너트는 자기장에 영향이 없는 재질인 티타늄을 모두 사용하였다. 모형함정 등의 중량물을 이동하며 스캔하기 위해서는 베어링을 적용하여야 하는데 비자성체의 베어링이어야 하므로 세라믹 베어링을 사용하였다. 그림 16의 (c) 에서와 같이 각 모퉁이에는 2개의 세라믹 베어링이 붙어 있어서 수직의하중을 받게 하는 것과 이송 중 이탈을 방지하기 위한 베어링이 부착되어 있다.
상용 전자장 유한요소 해석 도구인 OPERA를 이용하여, 해상 시험 진행전 적함 수중 전자기 신호 예측과 육상 확인시험용 축소모형 제작을 위해를 위하여 잠수함을 다음 그림 5와 같이 모델링하였다.
이러한 함정 모델링을 이용한 해석 결과를 이용하여 적함의 수중 전자기 신호를 예측하고, 예측된 결과를 이용하여 신규 개발하는 3축 자력계의 자기 탐지 성능 예측 및 분석에 사용한다.

대상 데이터

그림 16은 본 연구에서 제작한 스캔 장치의 사진으로 높이가 1000 mm, 폭이 600 mm, 길이가 3000 mm 되게 60 × 60 mm 의 알루미늄 프로파일을 사용하여 제작하였다. 구조물을 조이는 볼트 너트는 자기장에 영향이 없는 재질인 티타늄을 모두 사용하였다. 모형함정 등의 중량물을 이동하며 스캔하기 위해서는 베어링을 적용하여야 하는데 비자성체의 베어링이어야 하므로 세라믹 베어링을 사용하였다.
그림 16은 본 연구에서 제작한 스캔 장치의 사진으로 높이가 1000 mm, 폭이 600 mm, 길이가 3000 mm 되게 60 × 60 mm 의 알루미늄 프로파일을 사용하여 제작하였다.

성능/효과

이를 기존 2축 자력계와 비교하여 보면 대역폭이 O∼OO Hz(비문) 이고 분해능이 O nT(비문) 는 100초에 O nT(비문)의 변화를 감지하지 못하는 것을 의미하기 때문에, 본 연구에서 사용한 자력계를 기존 2축 자력계를 대치하여 사용하여도 성능 면에서 아무런 문제가 없음을 보여주고 있다.
이를 위하여 모형 잠수함으로부터 얻은 자기장 신호에 대하여 함 접근방향을 x-축, y-축, z-축 대하여 30° , 60° , 90° 회전시키면서 자기신호의 변화 결과를 살펴보면 x-축 회전에 의하여 Bz성분이 변화하고, y-축이나 z-축의 회전에 의하여 x-축의 자기장 값이 크게 변화하기 때문에 자력계가 놓여진 위치에서 무기체계의 roll 각 및 azimuth각을 알지 못하고 2-축의 자력계만을 가지고 함정의 중앙부분이 지나가는 것을 판단하는 것은 사실 불가능할 것으로 보인다.

후속연구

3축의 자력계를 사용할 경우 역시 어려운 점은 자기장의 크기를 측정하면 자력계의 회전에 관계없이 자기장의 변화를 정확히 측정 할 수 있으나 함정의 중앙부분을 정확히 찾아내는 것은 어려울 것으로 보인다. 이를 개선하려면 방위각센서를 사용하여 기뢰가 놓이게 되면 그 위치에서 roll과 azimuth 각을 측정하고 3축의 자력계 출력을 자북(x-축)을 기준으로 하는 회전 좌표계의 자기장 성분으로 분해하여 측정을 하면 B_x ,B_y,B_z성분으로부터 함정에 의한 자기장변화를 정확하게 측정 할 수 있을 것으로 보이며, 추후 관련 연구를 진행하도록 한다.
표적의 자기신호 변화를 감지해 내는 능력을 나타내는 신호 감도 면에 있어서는 다음 그림 13과 같이 O nT(비문)의 분해능을 가졌던 기존 2축 자력계에 비해 약 O nT(비문)의 분해능을 보임으로써 향후 실 해역에서의 탐지 효율이 획기적으로 개선될 것으로 기대되며, 실해역 시험을 통해 입증해 나가도록 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3축 유도자기장 하의 강철로 건조된 해군 함정은 지구자기장에 의하여 어떤 방향으로 자기장의 영향을 받는가?	강철로 건조된 해군 함정들은 지구자기장에 의해 정수직하방(Positive Down, z축), 정 이물방향(Positive toward the bow, x축), 정 우현방향(Positive toward the starboard side, y축) 영향을 받는 3축 직교(orthogonal) 유도자기장(Induced Magnetic Field)과, 강철 선체에 기인한 3축 직교 영구자장(Permanent Magnetic Field)의 영향 하에 있게 된다.
	강자성체에 의하여 자기장을 변화시키는 원리는 무엇인가?	강자성체에 의하여 자기장을 변화시키는 원리는 첫째, 강자성체의 높은 투자율(permeability)에 의하여 자기력선이 강자성체에 빨려 들어가기 때문에 강자성체의 주변의 자기장의 세기가 불균일하게 되는 것과[3], 둘째, 강자성체 자체가 자화가 되어서 영구자석과 같이 균일 자기장이 분포하게 되는 것이 있다. 이들 자기장의 세기는 다음 그림 7과 같이 강자성체 자기이력곡선의 제2상한에서 강자성체 형상이방성에 의하여 결정되는 permeance line 에 의하여 결정된다.
	수중환경에서의 주 탐지원은 무엇인가?	수중환경에서는 대기(大氣)중과는 달리 음향, 압력, 전자기장 등이 주 탐지원이 된다. 함정이 발생하는 특성신호에는 기계류 등에 의한 음향신호와 자기장 신호가 있다.

참고문헌 (7)

B. S. Lim, S. P. Hong, and Y. K. Kim, "A Study on Actuation Probability of Underwater Weapon Based on Magnetic Field," Journal of The Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 17, no. 5, pp. 1253-1258, May. 2013.

원문보기 상세보기
John J. Holmes, Exploitation of a Ship's Magnetic Field Signatures, 1st ed. San Rafael, CA: Morgan & Claypool Publishers, 2006.
B. Cullity, Introduction to Magnetic Materials, Addison-Wesley, 1997.
Fausto Fiorillo, Measurement and Characterization of Magnetic Materials, Elsevier, 2004.
Chew Soon Leong & Rashdi Shah Ahmad & Rosly Jaafar, "The Development of Fluxgate Magnetometer for Non-destructive Measurement", Jurnal Teknologi 34(C), pp.2, 2001.
Olivier Dezuari, Eric Belloy, Scott E. Gilbert, and Martin A. M. Giis, " New Hybrid Technology for Planar Fluxgate Sensor Fabrication, IEEE Transactions on Magnetics Vol. 35, pp. 1-3, 1999.

상세보기
National Academy of Sciences, "Naval Mine Warfare : Operational and Technical Challenges for Naval Forces", National Academy Press, Washington D.C., pp 133-148, 2001.

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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