[논문]항공 정찰용 Step-stare 영상획득 시스템 설계

백운혁; 박재영; 안정훈; 이정석

doi:10.7736/kspe.2014.31.9.813

[국내논문] 항공 정찰용 Step-stare 영상획득 시스템 설계
Design of the Step-stare Image Gathering System for an Aerial Reconnaissance 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.9, 2014년, pp.813 - 820

백운혁 (삼성탈레스 메카트로닉스 그룹) , 박재영 (삼성탈레스 메카트로닉스 그룹) , 안정훈 (삼성탈레스 메카트로닉스 그룹) , 이정석 (삼성탈레스 메카트로닉스 그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents design and performance validation of a method for motion compensation using fast steering mirror. First of all, the schematics of the Electro Optical/Infra-Red (EO/IR) and step-stare image gathering system for an aerial reconnaissance are introduced. Because of the steering mirror with low inertia so called Back scan mechanism (BSM), the fast step-stare image gathering technique that is required for taking a high-definition still image will be realized. After then, the BSM hardware includes motors and feedback sensors are introduced. Also, the motion profile for BSM will be designed to compensate roll scan motion of the gimbals. At the end of this paper, designed profile and tracking performance of the EO/IR system with BSM will be validated through experiments.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 항공기에 탑재되어 고해상도의 광역 정찰 영상 획득이 가능한 Step-stare 영상 획득 시스템을 소개하고, 카메라의 구동과 시선 안정화를 위한 3축 김발 시스템을 설계한다. 구동 시스템 제어를 위한 구동 제어기 및 시선 안정화 제어기를 설계하여, 실제 항공기 외란 조건하에서 그 성능을 검증하였다.
이때, 영상을 초당 수 장의 빠른 속도로 촬영하면서 관성모멘트가 큰 김발을 Step-stare 구동하려면 고출력의 구동기가 필요하고, 이는 구동기의 무게 및 크기, 그리고 개발 비용의 증가를 야기한다. 이를 개선하는 방안으로 광학계 내부에 Steering mirror를 설치하여 LOS를 변화시키는 방법을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 고배율의 항공기용 EO/IR 장비에서 고품질 영상 획득을 위해 광학계 내부에 Steering mirror를 장착하여 이를 정밀 제어함으로써 LOS 변화를 보상하는 방법을 제시하였다. Steering Mirror를 포함한 BSM을 구현함으로써 기존의 고배율 고성능 카메라보다 시선 변화 시스템의 무게가 감소되고, 보다 빠르게 LOS 변경 및 유지가 가능한 Step-stare 영상획득 시스템을 구성하였다.

제안 방법

본 논문에서는 항공기에 탑재되어 고해상도의 광역 정찰 영상 획득이 가능한 Step-stare 영상 획득 시스템을 소개하고, 카메라의 구동과 시선 안정화를 위한 3축 김발 시스템을 설계한다. 구동 시스템 제어를 위한 구동 제어기 및 시선 안정화 제어기를 설계하여, 실제 항공기 외란 조건하에서 그 성능을 검증하였다. 또한, 고품질의 정지영상 촬영을 위해 김발 움직임을 보상할 수 있도록 광학계 내부에 Back scan mechanism(BSM)을 설치하고, 이를 위한 구동 프로파일을 설계한다.
구동 시스템 제어를 위한 구동 제어기 및 시선 안정화 제어기를 설계하여, 실제 항공기 외란 조건하에서 그 성능을 검증하였다. 또한, 고품질의 정지영상 촬영을 위해 김발 움직임을 보상할 수 있도록 광학계 내부에 Back scan mechanism(BSM)을 설치하고, 이를 위한 구동 프로파일을 설계한다. 마지막으로 3축 김발과 BSM을 적절하게 제어하여 고품질의 정지영상을 획득하는 실험을 통해 설계된 Stepstare 영상 획득 시스템의 성능을 검증한다.
또한, 고품질의 정지영상 촬영을 위해 김발 움직임을 보상할 수 있도록 광학계 내부에 Back scan mechanism(BSM)을 설치하고, 이를 위한 구동 프로파일을 설계한다. 마지막으로 3축 김발과 BSM을 적절하게 제어하여 고품질의 정지영상을 획득하는 실험을 통해 설계된 Stepstare 영상 획득 시스템의 성능을 검증한다.
이때, EO/IR 의 Roll/Shroud 는 ① ~ ⑤ 번 영상을 촬영하는 동안 등속으로 구동 하고, ⑥번 영상 촬영 전에 구동방향을 전환하여(Scan turn around) 반대 방향으로 등속 구동한다. 촬영 후에 각각의 촬영한 영상을 좌표를 기반으로 정합하여 목표 지역의 영상을 획득한다. 촬영된 영상의 정합을 위하여 매 Frame 마다 촬영하는 영상 중심점의 좌표를 계산한다.
촬영 후에 각각의 촬영한 영상을 좌표를 기반으로 정합하여 목표 지역의 영상을 획득한다. 촬영된 영상의 정합을 위하여 매 Frame 마다 촬영하는 영상 중심점의 좌표를 계산한다.
안정화 제어기는 외부에서 장비에 인가되는 외 란을 측정하고, 측정한 값을 기반으로 모터를 구동시켜 인가되는 외란을 제거함으로써 시선을 안정화 시킨다. 본 논문에서 카메라 조립체에 고정되어있는 Gyroscope를 통해 각속도 외란을 측정하고, 측정된 값은 안정화 제어기의 입력으로 받는다. 안정화 제어기에서 계산된 제어기 출력이 모터 구동 전류 명령으로 Amp에 인가되고, Amp를 통해 모터가 구동된다.
⁹ 제어기 구조는 식(1)과 같다. 진상 보상기(Lead compensator)를 이용하여 이득여유(Gain margin)와 위상여유(Phase margin)를 확보하고, 지상 보상기(Lag compensator)에서 직류 게인을 증대시키며, 마지막으로 최종 게인을 조정하여 제어기를 튜닝한다.
또한, 본 장비에서 사용한 DTG는 기계식 Gyroscope로 내부 회전체에 의한 자체 공진이 크게 발생하는데, 이를 제거하기 위하여 Notch Filter를 설계하여 적용한다.¹⁰ 본 논문에서는 다음 식(2) 와 같이 2차 시스템으로 Filter를 설계한다.
설계된 안정화 김발 시스템의 성능 확인을 위하여, 항공기용 가진 프로파일을 구성하여 진동 시험을 수행하고, 진동 외란이 인가될 때의 시선 흔들림 양을 계측한다. 시선의 흔들림은 장비의 안정화 기능이 동작될 때, Gyroscope의 출력을 이용하여 측정한다.
설계된 안정화 김발 시스템의 성능 확인을 위하여, 항공기용 가진 프로파일을 구성하여 진동 시험을 수행하고, 진동 외란이 인가될 때의 시선 흔들림 양을 계측한다. 시선의 흔들림은 장비의 안정화 기능이 동작될 때, Gyroscope의 출력을 이용하여 측정한다. X, Y, Z의 3축 방향으로 각각 진동을 가한 후 영상 품질에 영향을 미치는 1~100Hz 대역의 성분의 Power spectral density(PSD)를 측정하여 계산한다.
시선의 흔들림은 장비의 안정화 기능이 동작될 때, Gyroscope의 출력을 이용하여 측정한다. X, Y, Z의 3축 방향으로 각각 진동을 가한 후 영상 품질에 영향을 미치는 1~100Hz 대역의 성분의 Power spectral density(PSD)를 측정하여 계산한다.
각 구간별 각속도 프로파일 수식은 식(4) ~ 식(9)에서 볼 수 있다. 설계된 각속도 프로파일을 적분하여 각도 프로파일을 설계한다.
위에서 생성된 구동 프로파일을 이용하여 BSM 구동기의 성능을 시험한다. Fig.
12에서 확인할 수 있다. 실험실에 설치되어 있는 시준기(Collimator)를 사용하여 USAF(United States Air Force) 타겟의 촬영영상을 획득하여 확인한다. Fig.
본 논문에서는 고배율의 항공기용 EO/IR 장비에서 고품질 영상 획득을 위해 광학계 내부에 Steering mirror를 장착하여 이를 정밀 제어함으로써 LOS 변화를 보상하는 방법을 제시하였다. Steering Mirror를 포함한 BSM을 구현함으로써 기존의 고배율 고성능 카메라보다 시선 변화 시스템의 무게가 감소되고, 보다 빠르게 LOS 변경 및 유지가 가능한 Step-stare 영상획득 시스템을 구성하였다. 구성된 시스템을 이용하여 실험실 환경에서 시준기의 USAF 타겟을 촬영함으로써 Step-stare 영상획득 시스템의 성능을 실험적으로 검증하였다.
Steering Mirror를 포함한 BSM을 구현함으로써 기존의 고배율 고성능 카메라보다 시선 변화 시스템의 무게가 감소되고, 보다 빠르게 LOS 변경 및 유지가 가능한 Step-stare 영상획득 시스템을 구성하였다. 구성된 시스템을 이용하여 실험실 환경에서 시준기의 USAF 타겟을 촬영함으로써 Step-stare 영상획득 시스템의 성능을 실험적으로 검증하였다.

대상 데이터

논문에 소개되는 항공기용 전자광학적외선 장비(EO/IR: Electro-optical / Infrared)는 Roll, Pitch, Shroud의 3축 김발과 BSM으로 구성되어 있다. Shroud는 Roll에 대한 종속 구동을 하고, Roll과 Pitch는 내부 카메라 시선을 제어하는 김발로써 LOS 구동 제어 및 외란에 대한 시선 안정화를 담당한다.
BSM 구동기는 구동을 위한 모터와 위치 측정을 위한 센서로 구성된다. 모터는 BSM에 장착된 Steering mirror의 크기가 작고 필요 토크가 높지 않기 때문에, 일반적으로 많이 사용되는 소형 BLDC 모터를 선정한다. 또한, BSM은 미세 구동이 LOS 의 변화에 직접 영향을 미치기 때문에 정밀구동제어가 요구된다.

이론/모형

내부의 Roll, Pitch 김발은 구동범위가 크지 않기 때문에 일정 각도만 회전하는 Limit angle torque motor(LAT)를 사용하고, Roll 김발에 종속되어 구동 되는 Shroud 김발은 카메라 조립체를 포함한 외부 김발 전체를 구동해야 하기 때문에 큰 토크를 낼 수 있도록 Brushless DC모터와 기어박스를 사용하여 구성한다. 김발의 구동 각도를 측정하기 위한 위치센서는 Roll, Pitch, Shroud 구동축에 각각 Dual speed resolver(1/16x)를 사용하고, 시선 흔들림을 감지하여 시선안정화 기능 수행과 시선 이동 속도 제어를 위해 정밀한 Dynamically tuned gyroscope(DTG) 를 사용한다.
시스템의 주파수 응답은 Dynamic signal analyzer (DSA)를 사용하여 측정한다. 측정된 개루프 주파수 응답 선도를 이용해서 Crossover 주파수가 35Hz 가 되도록 안정화 제어기 게인을 결정한다.
Roll 스캔 구동 시 정지 영상 촬영 성능 검증을 위해 시준기 표적을 바라보면서 Step-stare 영상 획득 기법을 사용하여 여러 장의 정지영상을 촬영한다. Fig.

성능/효과

측정 결과, X축, Y축, Z축의 방향 진동에 대하여 모두 ○µrad 이내의 안정화 정확도를 보인다.
측정된 개루프 주파수 응답 선도를 이용해서 Crossover 주파수가 35Hz 가 되도록 안정화 제어기 게인을 결정한다. 최종 튜닝한 시스템의 Phase margin은 Roll 김발의 경우 약 24도이고, Pitch 김발의 경우 약 28도 이다. 아래 Fig.
(1)김발은 시선안정화 제어를 통해 외란을 완전히 제거하고, (2)촬영 중 Roll 김발의 구동속도는 항상 일정하다.
13는 영상 촬영 중에 획득한 Roll 김발의 스캔 구동 각도 및 BSM의 각도와 LOS의 움직임을 함께 나타낸 것이다. Roll 김발 각도와 BSM 구동각도의 합이 LOS의 움직임으로 나타나는 것을 확인할 수 있으며, LOS가 고정되어 있는 시점에 노출이 발생하도록 카메라를 제어함으로써, 고품질 영상을 획득 할 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기에 탑재되는 영상 촬영 장비에 요구되는 조건은?	육·해·공의 다양한 분야에서 운용되는 군사용 영상 촬영 시스템 중에서도 특히 항공기에 탑재되는 영상 촬영 장비는 매우 가혹한 환경에서 운용 된다. 군사용 정찰기의 운용고도는 최고 수 만 피트 이하이기 때문에 여기에 탑재되는 장비는 고도 변화에 따른 환경 조건을 모두 만족해야 한다. 가혹한 온도 변화와 비행체 및 외부 요인에 의해 발생되는 진동 및 충격 조건에서 운용하기 위해 높은 수준의 신뢰성을 확보해야만 하고, 이러한 상황에서도 선명한 영상을 획득할 수 있어야 한다.4 항공기에 탑재되는 영상 촬영 시스템에서 영상의 품질은 검출기, 광학계, 영상처리 기술 등 많은 요소가 복합적으로 작용하여 결정된다.
	항공 정찰 시스템의 역할은?	항공 정찰 시스템은 적의 동태 및 전력을 예측 하여 전쟁을 방지하고, 전시에 전술적으로 유리한 위치를 확보하기 위해 오늘날 그 중요도가 날로 높아지고 있다.1 해외에서는 이미 수십 년 전부터 Global Hawk와 같은 고성능의 무인 정찰기를 개발 하여 운용 중에 있고, 국내에서도 2002년 전자광학 추적장비(EOTS: Electro-optical tracking system)를 탑재한 군단급 무인항공기를 개발하여 운용 중에 있다.
	항공기에 탑재되는 영상 촬영 시스템에서 영상의 품질은 어떻게 결정되는가?	가혹한 온도 변화와 비행체 및 외부 요인에 의해 발생되는 진동 및 충격 조건에서 운용하기 위해 높은 수준의 신뢰성을 확보해야만 하고, 이러한 상황에서도 선명한 영상을 획득할 수 있어야 한다.4 항공기에 탑재되는 영상 촬영 시스템에서 영상의 품질은 검출기, 광학계, 영상처리 기술 등 많은 요소가 복합적으로 작용하여 결정된다. 하지만 이러한 요소들 중에서도 강한 진동이 있는 환경에서 시선의 흔들림을 최소화하여 영상 번짐을 막는 시선 안정화 기술이 고품질 영상획득을 위한 핵심 기술이라고 할 수 있다.

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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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