[논문]복합 구조물의 레이더 반사면적 해석 프로그램 개발

권현웅; 홍석윤; 송지훈

doi:10.7837/kosomes.2014.20.4.435

복합 구조물의 레이더 반사면적 해석 프로그램 개발
Development of Radar Cross Section Analysis Program for Complex Structures 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.20 no.4 = no.63, 2014년, pp.435 - 442

권현웅 (서울대학교 조선해양공학과) , 홍석윤 (서울대학교 조선해양공학과) , 송지훈 (전남대학교 조선해양공학전공)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 복합 구조물의 레이더 반사면적을 해석하기 위한 프로그램 RACSAN을 개발하였다. 본 프로그램은 물리 광학을 기초로 한 고주파 대역에서의 키르히호프 근사법을 기반으로 하고 있다. 또한, 본 프로그램은 물리/기하 광학 혼합방법을 이용하여 복합 구조물의 다중 반사 효과를 고려 할 수 있다. 즉, 기하 광학을 이용하여 다중 반사 시 유효면적을 계산하고 최종 반사면에서는 물리광학을 이용하여 레이더 반사면적을 해석한다. 개발된 프로그램의 신뢰성 확보를 위하여 이론해가 있는 구조물들의 결과들과 비교하여 본 프로그램이 복합 구조물의 레이더 반사면적 해석에 유용하게 사용될 수 있는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, radar cross section (RCS) analysis program, RACSAN has been developed to predict RCS of complex structures. RACSAN is based on the high frequency range analysis method of Kirchhoff approximation in physical optics (PO). This program can present RCS including multi-bounce effect in complex structures by combination of geometric optics (GO) and PO method. GO method has a concern in the evaluation of the effective area, and PO method is involved in the calculation of RCS for the final effective area that is evaluated by GO method. Comparisons of the predicted results and analytical solutions showed that the developed program could be an effective tool for predicting RCS in complex structures.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 복합 구조물의 RCS를 해석할 수 있는 프로그램, RACSAN을 개발하였다. 본 프로그램은 GO를 이용하여 다중 반사 시 경로와 유효면적(effective area)을 계산하고 최종 반사면에서는 PO를 이용하여 RCS를 해석한다.
본 연구에서는 복합 구조물의 레이더 반사면적을 해석하기 위한 프로그램 RACSAN을 개발하였다. 본 프로그램은 물리 광학을 기초로 한 고주파 대역에서의 키르히호프 근사법을 기반으로 하고 있으며, 물리/기하 광학 혼합방법을 이용하여 복합 구조물의 다중 반사 효과를 고려 할 수 있도록 개발하였다.
본 연구에서는 복합 구조물의 레이더 반사면적을 해석하기 위한 프로그램 RACSAN을 개발하였다. 본 프로그램은 물리 광학을 기초로 한 고주파 대역에서의 키르히호프 근사법을 기반으로 하고 있으며, 물리/기하 광학 혼합방법을 이용하여 복합 구조물의 다중 반사 효과를 고려 할 수 있도록 개발하였다.

가설 설정

2.2절의 GO가 갖는 단점을 극복할 수 있는 기법이 PO이다. PO은 기본적으로 파장에 비해서 표적 표면이 매우 크고 평평하다라는 가정에서 출발해서, 반사되는 장(field)은 표면의 장의 값을 적분함으로써 예측할 수 있다(Klement et al.

제안 방법

2장의 이론들을 기반으로 Fig. 2와 같은 임의의 형상을 갖는 복합 구조물에 대한 RCS를 해석하기 위한 프로그램 RACSAN(RAdar Cross Section ANalysis program)을 개발하였다.
Fig. 10의 평판들이 이루는 각은 90°이고, 2면각의 복합 구조물의 정중앙을 0°로 하여 -89° 부터 +89° 까지 1° 간격으로 회전할 때 9.4 GHz의 전자파가 고각 0°로 입사할 경우에 대한 RCS 해석을 수행하였다.
Fig. 6에 나타낸 해석 대상은 10m × 20m 크기의 사각 평판으로 다시 작은 크기의 사각 평판으로 나누어 모델링 하였으며, 사각 평판의 정중앙을 0°로 하여 -89°부터 +89°까지 1°간격으로 회전할 때 10 GHz의 전자파가 고각 0°로 입사할 경우에 대한 RCS 해석을 수행하였다.
Fig. 8에 나타낸 해석 대상은 반경이 5m, 길이 20m 크기의 실린더로 곡률 방향에 대해서 충분한 다각 평판으로 나누어 모델링 하였으며, 실린더의 정중앙을 0°로 하여-89°부터 +89°까지 1°간격으로 회전할 때 10 GHz의 전자파가 고각 0°로 입사할 경우에 대한 RCS 해석을 수행하였다.
PATRAN을 이용하여 유한요소 모델링을 할 경우 *.bdf 형식 파일 포맷으로 저장하면 RACSAN에서 내부적으로 자동 변화하여 별도의 추가적인 모델링 작업이 필요 없도록 프로그램을 개발하였다.
본 프로그램은 GO를 이용하여 다중 반사 시 경로와 유효면적(effective area)을 계산하고 최종 반사면에서는 PO를 이용하여 RCS를 해석한다. 개발된 프로그램의 신뢰성 확보를 위하여 이론해가 있는 구조물 들의 결과들과 비교하여 검증하였다.
개발된 프로그램의 신뢰성 확보를 위하여 RCS 해석 결과를 이론해가 있는 사각 평판 및 실린더 구조물의 결과들과 비교하였고, 복합 구조물의 다중 반사 효과에 대한 해석 정확도를 검증하기 위해 2면각의 복합 구조물의 RCS 해석 결과를 문헌 실험 결과와 비교한 결과가 이론해 및 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 또한, 개발한 프로그램의 실효성을 검토하기 위하여 DDG-51 type 함정의 RCS 해석을 수행하였다. 따라서, 본 프로그램이 임의의 형상을 갖는 복합 구조물의 레이더 반사면적 해석 및 저감 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단한다.
, 1993)와 비교하였다. 마지막으로 본 연구에서 개발한 프로그램의 실효성을 검토하기 위하여 DDG -51 type 함정의 RCS 해석을 수행하였다.
본 연구에서 개발한 프로그램의 실효성을 검토하기 위하여 Fig. 13에 나타낸 길이 154 m, 폭 20 m, 높이 32 m의 DDG-51 type 함정을 4,882개의 요소로 모델링하여 RCS 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 복합 구조물의 RCS를 해석할 수 있는 프로그램, RACSAN을 개발하였다. 본 프로그램은 GO를 이용하여 다중 반사 시 경로와 유효면적(effective area)을 계산하고 최종 반사면에서는 PO를 이용하여 RCS를 해석한다. 개발된 프로그램의 신뢰성 확보를 위하여 이론해가 있는 구조물 들의 결과들과 비교하여 검증하였다.
PO를 이용하면 곡률이 한 쪽으로 진 곡면이나 평평한 면에 대해서도 RCS를 추정할 수 있다. 즉, 전자기파 이론에서 Stratton-Chu 적분 방정식을 이용해서 표면에서 산란되는 장을 구한 다음 그것을 적분함으로써 RCS를 구하는 것이다.
특히, 2면각의 복합 구조물의 경우 2.5절의 다중 반사 효과를 검증하기 위해 Fig. 10에 나타낸 0.179m × 0.179m 사각 평판 2개로 구성된 구조물에 대해서 2회 반사(double bounce)를 고려한 해석을 수행하였다.

데이터처리

3장에서 개발한 RACSAN의 신뢰성 확보를 위하여 RCS 해석 결과를 이론해(Urick, 1983)가 있는 사각 평판 및 실린더 구조물의 결과들과 비교하여 검증하였다. 또한, 보다 복잡한 형상을 갖는 복합 구조물에 대한 해석 정확도를 검증하기 위해 2면각의(dihedral) 복합 구조물의 RCS 해석 결과를 문헌 실험 결과(Knott et al.
4.1, 4.2절의 사각 평판, 실린더 구조물 보다 복잡한 형상을 갖는 복합 구조물에 대한 해석 정확도를 검증하기 위해 2면각의(dihedral) 복합 구조물의 RCS 해석 결과를 문헌 실험 결과(Knott et al., 1993)와 비교하여 검증하였다. 특히, 2면각의 복합 구조물의 경우 2.
3장에서 개발한 RACSAN의 신뢰성 확보를 위하여 RCS 해석 결과를 이론해(Urick, 1983)가 있는 사각 평판 및 실린더 구조물의 결과들과 비교하여 검증하였다. 또한, 보다 복잡한 형상을 갖는 복합 구조물에 대한 해석 정확도를 검증하기 위해 2면각의(dihedral) 복합 구조물의 RCS 해석 결과를 문헌 실험 결과(Knott et al., 1993)와 비교하였다. 마지막으로 본 연구에서 개발한 프로그램의 실효성을 검토하기 위하여 DDG -51 type 함정의 RCS 해석을 수행하였다.

이론/모형

국내에서도 Choi and Boo(2000), Choi et al.(2005)이 물리광학을 기초로 한 키르히호프 근사법을 적용하여 단순반사에 대한 RCS 해석을 수행하였으며, Kim et al.(2005)은 가시면 분할 알고리즘을 이용하여 다중반사 효과를 고려하였으며, Kim et al.

성능/효과

Fig. 11에서 볼 수 있듯이 0°일 때를 기준으로 RCS 해석 결과가 대칭성을 잘 나타낼 뿐만 아니라, 특히 RCS가 상대적으로 크게 나타난 -45°부터 +45°까지의 해석 결과가 실험 결과와 잘 일치 함을 확인 할 수 있다.
개발된 프로그램의 신뢰성 확보를 위하여 RCS 해석 결과를 이론해가 있는 사각 평판 및 실린더 구조물의 결과들과 비교하였고, 복합 구조물의 다중 반사 효과에 대한 해석 정확도를 검증하기 위해 2면각의 복합 구조물의 RCS 해석 결과를 문헌 실험 결과와 비교한 결과가 이론해 및 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 또한, 개발한 프로그램의 실효성을 검토하기 위하여 DDG-51 type 함정의 RCS 해석을 수행하였다.
다중 반사 효과에 의한 영향이 -45°부터 +45°까지에서 나타나고, 특히 0°일 때 최대 38.59 dB로 가장 큰 것을 확인 할 수 있다.
59 dB로 가장 큰 것을 확인 할 수 있다. 따라서, Fig. 11(a) 실험 결과에서도 확인 가능하듯이 임의의 형상을 갖는 복합 구조물의 RCS 해석에는 반드시 다중 반사 효과를 고려해 주어야 된다는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 함정의 기하학적 형상에서 예측할 수 있듯이 전자파 입사각이 90°와 270°인 경우에 RCS 해석 결과가최대 40 dB로 가장 큰 것을 확인할 수 있다.
8에 나타낸 해석 대상은 반경이 5m, 길이 20m 크기의 실린더로 곡률 방향에 대해서 충분한 다각 평판으로 나누어 모델링 하였으며, 실린더의 정중앙을 0°로 하여-89°부터 +89°까지 1°간격으로 회전할 때 10 GHz의 전자파가 고각 0°로 입사할 경우에 대한 RCS 해석을 수행하였다. 해석 결과는 Fig. 9와 같으며 RCS 해석 결과와 이론해가 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
4 GHz의 전자파가 고각 0°로 입사할 경우에 대한 RCS 해석을 수행하였다. 해석 결과는 실험 결과와 함께 Fig. 11에 나타내었으며, RCS 해석 결과와 실험 결과가 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다. Fig.

후속연구

또한, 개발한 프로그램의 실효성을 검토하기 위하여 DDG-51 type 함정의 RCS 해석을 수행하였다. 따라서, 본 프로그램이 임의의 형상을 갖는 복합 구조물의 레이더 반사면적 해석 및 저감 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단한다.
향후에는 함정, 항공기, 미사일 등의 군사용 무기체계와 같은 실제의 복합 구조물에 대한 추가적인 정확도 검증과 전파흡수체를 적용한 RCS 저감 설계 방안 연구 등의 추가 연구 수행이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RCS의 해석 및 예측이 가능한 수치해석 방법에는 무엇이 있는가?	대표적인 기하학적 형상인 평판, 구, 실린더 등에 대한 RCS는 이론식으로 이미 알려져 있으며(Urick, 1983) 보다 복잡한 형상에 대해서는 수치해석을 통한 해석 및 예측이 가능하다. 대표적인 수치해석 방법에는 모멘트법(method of moment), 유한요소법(finite element method), 경계요소법 (boundary element method) 등의 저주파수 해석 기법과 물리광학법(PO; physical optics), 기하광학법(GO; geometric optics), 키르히호프 근사법(Kirchhoff approximation) 등의 고주파수 해석 기법이 이용되고 있다(Knott et al., 1993, Schneider et al.
	함정, 항공기, 미사일과 같은 복합 구조물은 무엇을 이용하여 상대방의 정보를 획득하는가?	함정, 항공기, 미사일 등의 군사용 무기체계와 같은 복합 구조물은 임무 수행 중 레이더를 이용하여 상대방의 정보를 획득한다. 따라서, 각국에서는 적 레이더에 의한 탐지 가능성을 줄이기 위한 레이더 반사면적(RCS; radar cross section) 저감 방안을 군사용 무기체계 설계에 적극 반영하고 있으며그 방안으로는 복합 구조물의 구조와 형상에 대한 변경 그리고 레이더 신호를 흡수하는 전파 흡수체 적용이 고려될수 있다.
	레이더 반사면적을 줄이기 위한 방안은 무엇인가?	함정, 항공기, 미사일 등의 군사용 무기체계와 같은 복합 구조물은 임무 수행 중 레이더를 이용하여 상대방의 정보를 획득한다. 따라서, 각국에서는 적 레이더에 의한 탐지 가능성을 줄이기 위한 레이더 반사면적(RCS; radar cross section) 저감 방안을 군사용 무기체계 설계에 적극 반영하고 있으며그 방안으로는 복합 구조물의 구조와 형상에 대한 변경 그리고 레이더 신호를 흡수하는 전파 흡수체 적용이 고려될수 있다. 그러나 전파 흡수체의 적용은 중량, 비용 증가 등으로 제한적 요소를 내재하고 있다.

참고문헌 (12)

Bechtel, M. E.(1965), Application of Geometric Diffraction Theory to Scattering from Cones and Disks, Proceedings of the IEEE, Vol. 53, No. 8, pp. 877-882.

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Choi, S. W. and S. Y. Boo(2000), Computational of Radar Cross Section of Ship's Structure using a Physical Optics Method, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 37, No. 4, pp. 82-91.
Choi, Y. H., K. C. Shin, J. S. You, J. S. Kim, W. H. Joo, Y. H. Kim, J. H. Park, S. M. Choi and W. S. Kim(2005), Numerical Modeling and Experimental Verification for Target Strength of Submerged Objects, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 19, No. 1, pp. 64-70.
Gordon, W. B.(1975), Far Field Approximation of the Kirchhoff-Helmholtz Representation of Scattered Field, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 23, pp. 590-592.

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Kim, K. H., J. H. Kim and D. S. Cho(2005), RCS Analysis of Complex Structures Using Object Precision Method, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 42, No. 2, pp. 159-164.

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Kim, K. H., D. S. Cho and J. H. Kim(2007), Broad-band Multi-layered Radar Absorbing Material Design for Radar Cross Section Reduction of Complex Targets Consisting of Multiple Reflection Structures, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 44, No. 4, pp. 445-450.

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Kim, K. H. and D. S. Cho(2011), Study on Effect of Shell Plate Deformation to Radar Cross Section of Warship, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 48, No. 6, pp. 509-515.

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Klement, D., J. Preissner and V. Stein(1988), Special Problems in Applying the Physical Optics Method for Backscatter Computation of Complicated Objects, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 36, No. 2, pp. 228-237.

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Knott, E. F., J. F. Shaeffer and M. T. Tuley(1993), Radar Cross Section, 2nd Edition, Artech House, Boston.London, pp. 183-224.
Kwon, H. W., S. Y. Hong, H. M. Kim and J. H. Song (2013), Analysis of Acoustic Target Strength for the Submarine with Alberich Anechoic Coating Effects, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 19, No. 4, pp. 410-415.

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Schneider, H. G., R. Berg, L. Gilroy, I. Karasalo, I. MacGillivray, M. T. Morshuizen and A. Volker(2003), Acoustic Scattering by a Submarine: Results from a Benchmark Target Strength Simulation Workshop, ICSV10, pp. 2475-2482.
Urick, R. J.(1983), Principles of underwater sound, 3rd Edition, Mcgraw-Hill, New York, pp. 291-327.

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