[논문]항만 감시를 위한 수중 강자성 표적 탐지에 관한 연구

김민호; 주웅걸; 임창선; 윤상기; 문상택

doi:10.9766/kimst.2015.18.4.350

[국내논문] 항만 감시를 위한 수중 강자성 표적 탐지에 관한 연구
A Study on Detection of Underwater Ferromagnetic Target for Harbor Surveillance 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.18 no.4, 2015년, pp.350 - 357

김민호 (LIG넥스원(주) Maritime연구소) , 주웅걸 (LIG넥스원(주) Maritime연구소) , 임창선 (LIG넥스원(주) Maritime연구소) , 윤상기 (LIG넥스원(주) Maritime연구소) , 문상택 (LIG넥스원(주) Maritime연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Many countries have been developing and operating an underwater surveillance system in order to protect their oceanic environment from infiltrating hostile marine forces which intend to lay mines, conduct reconnaissance and destroy friendly ships anchored at the harbor. One of the most efficient methods to detect unidentified submarine approaching harbor is sensing variation of magnetism of target by magnetic sensors. This measurement system has an advantage of high possibility of detection and low probability of false alarm, compared to acoustic sensors, although it has relatively decreased detection range. The contents of this paper mainly cover the analysis of possible effectiveness of magnetic sensors. First of all, environmental characteristics of surveillance area and magnetic information of simulated targets has been analyzed. Subsequently, a signal processing method of separating target from geomagnetic field and methods of estimating target location has been proposed.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 함정의 파괴, 기뢰부설 및 정찰 등의 목적을 가지고 항만으로 침투하는 적 잠수함 세력을 감시하기 위하여 함정의 의해 발생하는 자기장을 이용하여 잠수함을 탐지하기 위한 연구의 결과이다. 감시구역의 지구자기장 특성을 파악하기 위해 OO항의 자기장을 측정하고 분석하였다.
본 연구에서는 지구자기장과 주변 환경에 의해 발생하는 자기장을 제거하지 않고 탐지거리를 예측하였다. 환경에 의한 자기장을 보다 효과적으로 제거한다면 탐지 문턱치를 낮출 수 있고 예측한 탐지거리의 향상을 기대할 수 있다^[8].
본 논문은 함정에 의한 수중 자기장을 이용하여 항만으로 침투하는 가상의 수중 강자성 표적을 탐지하고, 감시구역 안에서 표적의 위치를 추정하기 위한 연구 결과이다. 감시하고자 하는 항만의 환경 특성을 파악하기 위해 지구자기장을 측정하여 분석하였고, 가상표적의 예상 탐지거리를 예측하였다.

가설 설정

가상 수중 표적은 Table 1의 자기 다이폴 특성을 갖는다고 설정하였다. 실제 함정에 의해 발생되는 자기장 신호는 다수의 다이폴로 모델링 되어야 하지만 표적을 단순화하기 위하여 자기 다이폴은 하나의 3축 다이폴로 가정하였다. 가상 수중 표적의 자기 다이폴 특성은 표적의 자기장 신호를 생성하는데 사용하였으며, 생성된 신호는 탐지 거리를 예측하기 위하여 사용하였다.
가상의 자기장 신호를 추정하고, 추정치를 이용하여 예상되는 탐지 가능한 거리를 분석하였다. 센서의 매설 위치를 수심 30 m로 가정하였고 표적의 기동 속도는 4 knots, 기동 수심은 10 m로 설정하였다. 표적은 센서를 자남에서 자북방향으로 bottom clearance 20 m on-top으로 지나간다고 가정하였다.
센서의 매설 위치를 수심 30 m로 가정하였고 표적의 기동 속도는 4 knots, 기동 수심은 10 m로 설정하였다. 표적은 센서를 자남에서 자북방향으로 bottom clearance 20 m on-top으로 지나간다고 가정하였다.

제안 방법

본 논문은 함정에 의한 수중 자기장을 이용하여 항만으로 침투하는 가상의 수중 강자성 표적을 탐지하고, 감시구역 안에서 표적의 위치를 추정하기 위한 연구 결과이다. 감시하고자 하는 항만의 환경 특성을 파악하기 위해 지구자기장을 측정하여 분석하였고, 가상표적의 예상 탐지거리를 예측하였다. 또한 지구자기장과 표적의 자기장 신호를 분리하기 위한 지구자기장 보상 신호처리 기법을 제안하였다.
감시하고자 하는 항만의 환경 특성을 파악하기 위해 지구자기장을 측정하여 분석하였고, 가상표적의 예상 탐지거리를 예측하였다. 또한 지구자기장과 표적의 자기장 신호를 분리하기 위한 지구자기장 보상 신호처리 기법을 제안하였다.
감시구역의 자기장 변화량을 조사하기 위하여 OO 항을 출입하는 위치에 센서를 매설하고 자기장을 측정하였다. 외부의 영향으로 자기센서가 훼손되는 것을 방지하기 위해 평균 1.
실제 함정에 의해 발생되는 자기장 신호는 다수의 다이폴로 모델링 되어야 하지만 표적을 단순화하기 위하여 자기 다이폴은 하나의 3축 다이폴로 가정하였다. 가상 수중 표적의 자기 다이폴 특성은 표적의 자기장 신호를 생성하는데 사용하였으며, 생성된 신호는 탐지 거리를 예측하기 위하여 사용하였다.
Table 1에서 설정한 가상 수중 강자성 표적의 자기다이폴을 수식 1에 대입하여 가상 표적 1, 2, 3의 자기장을 모의로 생성하였다(Fig. 4). 자기센서의 매설 수심은 30 m, 표적은 수심 10 m에서 자남에서 자북방향으로 센서를 on-top으로 통과하도록 설정하였다.
본 논문에서 제안하는 신호처리 기법은 MTD에 기반을 두고 있으나, MTD에서 지구자기장을 보상하기 위해 Remote Reference Technique을 이용하는 것과 달리 지수이동평균을 적용하였다.
5)은 다음과 같다. 자기센서로 측정한 3축 신호에 지수이동평균을 적용한 후(수식 2), 자기센서로 측정한 3축 신호와 지수이동평균의 차를 구하고 합성한다(수식 3). 이때 지수이동평균의 계수를 조정하지 않으면 지수이동평균의 결과가 표적신호를 따라 움직여 표적신호와 지구자기장을 효과적으로 분리할 수 없다.
OO항 근처를 지나가는 전기철도가 운행하지 않는 02시에 자기장의 변화는 ±1 nT 안에 있기 때문에, 오탐지가 발생하지 않도록 탐지 문턱치를 1.5 nT로 설정하였다.
가상의 자기장 신호를 추정하고, 추정치를 이용하여 예상되는 탐지 가능한 거리를 분석하였다. 센서의 매설 위치를 수심 30 m로 가정하였고 표적의 기동 속도는 4 knots, 기동 수심은 10 m로 설정하였다.
탐지 거리 예측은 자기장의 변화가 적은 02시와 자기장의 변화가 큰 14시로 나누어 분석하였다. OO항 근처를 지나가는 전기철도가 운행하지 않는 02시에 자기장의 변화는 ±1 nT 안에 있기 때문에, 오탐지가 발생하지 않도록 탐지 문턱치를 1.
5 nT로 설정하였다. 표적이 센서로 접근하며 신호가 1.5 nT가 되는 지점과 멀어지며 1.5 nT가 되는 지점으로 탐지거리를 예측하였다. 가상표적 1, 2, 3의 예상 탐지거리는 각각 608 m, 317 m, 247 m 이다(Fig.
본 논문은 함정의 파괴, 기뢰부설 및 정찰 등의 목적을 가지고 항만으로 침투하는 적 잠수함 세력을 감시하기 위하여 함정의 의해 발생하는 자기장을 이용하여 잠수함을 탐지하기 위한 연구의 결과이다. 감시구역의 지구자기장 특성을 파악하기 위해 OO항의 자기장을 측정하고 분석하였다. 탐지하고자 하는 표적의 특성을 설정하고 가상 표적에 의해 발생하는 자기장을 예측하였고, 표적의 가상 자기장 신호를 생성하여 예상되는 탐지거리를 분석하였다.
감시구역의 지구자기장 특성을 파악하기 위해 OO항의 자기장을 측정하고 분석하였다. 탐지하고자 하는 표적의 특성을 설정하고 가상 표적에 의해 발생하는 자기장을 예측하였고, 표적의 가상 자기장 신호를 생성하여 예상되는 탐지거리를 분석하였다. 또한 지구자기장과 표적의 자기장 신호를 효과적으로 분리하기 위한 신호처리 기법을 제안하였다.
탐지하고자 하는 표적의 특성을 설정하고 가상 표적에 의해 발생하는 자기장을 예측하였고, 표적의 가상 자기장 신호를 생성하여 예상되는 탐지거리를 분석하였다. 또한 지구자기장과 표적의 자기장 신호를 효과적으로 분리하기 위한 신호처리 기법을 제안하였다. 지수이동평균을 이용하여 지구자기장과 표적 신호를 분리하는 이 신호처리 기법은 계수의 변경만으로 다양한 자기장 환경에 적용이 가능하다는 장점을 갖는다.

대상 데이터

OO항 입구에 설치한 자기센서로 2014년 2월 13일 00시부터 2월 22일 24시까지 240시간(10일)동안 측정한 자기장의 변화를 분석하였다. Fig.
5 nT가 되는 지점으로 탐지거리를 예측하였다. 가상표적 1, 2, 3의 예상 탐지거리는 각각 608 m, 317 m, 247 m 이다(Fig. 10 top).

이론/모형

강자성 표적의 자기장 신호는 비오-사바르의 법칙(Biot-Savart’s law)을 이용하여 계산한다.
항만시설과 같이 강자성체의 잦은 출현으로 자기장의 변화가 심한 지역에서는 표적의 영향을 받지 않는 센서를 이용하여 지구자기장을 보상하는 방식(Remote Reference Technique)은 유효하지 않다. 이에 본 연구에서는 지구자기장을 보상하기 위한 신호처리 기법으로 지수이동평균을 사용하였다. 지수이동평균을 이용하면 지구자기장의 변화에 강인함 특성을 가질 수 있으며, 지구자기장의 변화량이 다른 지역에서도 계수의 변경만으로 강자성 표적의 탐지가 가능하다.
센서 배열을 2열로 설치하면 표적의 접근 방향도 확인이 가능하다. 본 논문에서는 표적의 위치를 추정하기 위하여 Catmull-Rom 스플라인 보간법을 사용하였다.

성능/효과

10일간의 자기장의 일변화를 관찰하여 06시부터 다음날 01시까지 변화가 크고 01시부터 06시까지 변화가 적음을 발견하였다. Fig.
또한 감시구역의 자기장 변화량에 따라 탐지 문턱치가 결정되고 감시하고자 하는 표적에 따라 함정에 의해 발생하는 자기장이 달라진다. 본 논문에서 측정한 OO항의 자기장은 전기철도의 영향으로 자기장의 변화가 상대적으로 크게 발생한다. 이러한 감시구역의 자기장 특성에 따라 적절한 탐지 문턱치의 설정이 필요하며 탐지 문턱치 1.

후속연구

환경에 의한 자기장을 보다 효과적으로 제거한다면 탐지 문턱치를 낮출 수 있고 예측한 탐지거리의 향상을 기대할 수 있다^[8]. 또한 표적에 의해 발생하는 자기장의 세기를 예측하기 위한 잠수함의 다이폴 모멘트를 보다 정교하게 설정하기 위한 연구가 추가로 수행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기센서를 이용한 표적감지의 장단점은 무엇인가?	자기센서는 항만 근처에서 인계철선의 역할을 할 수 있다. 함정에 의해 발생되는 정자기장 신호를 이용하여 표적을 탐지하면 수중 방사소음을 감지하는 경우와 비교 하여 상대적으로 거리는 감소하지만 근거리에서 탐지율(possibility of detection)은 높고 오경보율(probability of false alarm)은 낮은 장점을 가진다.
	자기센서를 이용하여 잠수함을 탐지하는 방식은 무엇이 있는가?	자기센서를 이용하여 잠수함을 탐지하는 방식은 MAD(Magnetic Anomaly Detection)와 MTD(Moving Target Detection)로 나눌 수 있다. MAD는 대잠초계기에 자기 센서를 장착하고 저고도비행을 하며 잠수함의 상공을 지나갈 때 자기장의 변화를 탐지하는 방식이다. MTD는 센서를 해저면에 설치하고 강자성 표적이 센서 주위를 지나갈 때 발생하는 자기장의 변화를 탐지하는 방식이다[5-7].
	세계 각국의 수중 감시체계는 무엇이 있는가?	대한민국의 HUSS(Harbor Underwater Surveillance System), 미국의 UWACS(UnderWater ACoustic Sentinel) System 및 이스라엘의 APNS-Port Guard(Advanced Port & Naval Assets Security System) 등 자국의 해양 환경에 맞는 수중 감시체계를 개발하여 운용하고 있다. Fig.

참고문헌 (8)

Chang-Seob Yang, Hyun-Ju Chung, Hye-Sun Ju, and Jae-Jin Jeon, "Prediction for Underwater Static Magnetic Field Signature Generated by Hull and Internal Structure for Ferromagnetic Ship," Journal of Korea Magnetics Society, Vol. 21, No. 5, pp. 167-173, 2011.

원문보기 상세보기
Chang-Seob Yang, Hyun-Ju Chung, "Study on Analysis Method for Ship's Ferromagnetic Signature using Magnetic Mock-up Model," Journal of the KIMST, Vol. 10, No. 4, pp. 38-51, 2007.
Hwiseok Kim, Seonho Lim, Jaewon Doh, "The Magnetic Treatment Method for Low-Observable Naval Vessel," Journal of the Korean Magnetics Society, Vol. 24, No. 4, pp. 128-133, 2014.

원문보기 상세보기
Chang-Seob Yang, and Hyun-Ju Chung, "A Study on Dipole Modeling Method for Ship's Magnetic Anomaly using Singular Value Decomposition Technique," Journal of Korea Magnetics Society, Vol. 17, No. 6, pp. 259-264, 2007.

원문보기 상세보기
J. Watermann, J. Lam, "Distrubutions of Magnetic Field Variations, Differences and Residuals," SACLANT Undersea Research Centre, Italy, pp. 1-10, 1999.
Arie Sheinker, Lev Frumkis, Boris Ginzburg, Nizan Salomonski, Ben-Zion Kaplan, "Magnetic Anomaly Detection Using a Three-Axis Magnetometer," IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, No. 1, pp. 160-167, 2009.

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Arie Sheinker, Nizan Salomonski, Boris Ginzburg, Lev Frumkis, Ben-Zion Kaplan, "Magnetic Anomaly Detection using Entropy Filter," Measurement Science and Technology, Vol. 19, pp. 1-5, 2008.
Arie Sheinker, Boaz Lerner, Nizan Salomonski, Boris Ginzburg, Lev Frumkis, Ben-Zion Kaplan, "Localization and Magnetic Moment Estimation of a Ferromagnetic Target by Simulated Annealing," Measurement Science and Technology, Vol. 18, pp. 3451-3457, 2007.

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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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