[논문]비균일 대기상태를 고려한 함정의 적외선 신호 특성 분석

최준혁; 김도휘; 한국일; 하남구; 장현성; 이승하; 김동건; 김태국

doi:10.6112/kscfe.2017.22.1.088

비균일 대기상태를 고려한 함정의 적외선 신호 특성 분석
ANALYSIS OF IRSIGNAL CHARACTERISTICS OF A SHIP FOR NON-UNIFORM ATMOSPHERIC CONDITIONS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.22 no.1 = no.76, 2017년, pp.88 - 94

최준혁 (중앙대학교 기계공학부) , 김도휘 (중앙대학교 기계공학부) , 한국일 (중앙대학교 기계공학부) , 하남구 (LIG 넥스원(주) 광학연구센터) , 장현성 (LIG 넥스원(주) 광학연구센터) , 이승하 (LIG 넥스원(주) 광학연구센터) , 김동건 (LIG넥스원(주) M&S연구센터) , 김태국 (중앙대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The IR signal entering into a sensor is composed of the following components: the self-emitted component directly from the object surface, the reflected components of the solar and sky irradiance at the object surface, and the scattered component by the atmosphere without reference to any object surfaces. The self-emitted and reflected components from the object can be lowered by the atmospheric layer between the object and the IR sensor. The principle factors influencing the atmospheric transmittance are the air temperature, the relative humidity and the observation distance. Previous studies on IR signal transmission through the atmosphere are focused on uniform atmospheric conditions and the non-uniform nature of the atmosphere was not properly treated in modeling. In this study, we use the local atmospheric transmittance to simulate the non-uniform atmosphere in analyzing the IR signal from the object surface. The results show that the nonuniform analysis of the atmosphere becomes more important as the wavelength of IR signal increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 적외선 센서로 들어오는 적외선 신호를 구하는데 있어서 물체 자체에서 방출되는 적외선 신호(L_thermal) 만을 고려하여 분석하였다. 그 이유는 물체의 광학적 표면 특성에 따라 다르지만, 일반적으로 자체 방출 신호는 전체 적외선 신호의 80% 이상이 차지한다는 점을 감안함과 동시에 분석을 단순화시키기 위하여 본 논문에서는 물체 자체에서 방출되는 성분만을 고려하였다.
함정의 적외선 신호를 실측하여 구하는 방법은 많은 재원과 시간이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 실측된 기상데이터를 이용하여 함정의 적외선 신호를 계산하여 분석하였다. 적외선 신호 분석은 자체적으로 개발한 Silhouette(중앙대학교)을 이용하였다[8].
두 개의 기존연구에서는 적외선 신호를 분석하기 위하여 반영된 대기투과도는 함정과 적외선 센서 사이에 대기상태가 균일하다고 가정하여 계산하고 있어, 비균일한 대기상태를 고려한 함정의 위협도 분석을 수행하기에는 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 거리에 따른 비균일한 대기상태를 고려하여 적외선 신호를 분석하였으며, 비균일한 대기상태를 고려해야 되는 필요성에 대해 확인하고자 하였다.
는 물체와 센서 사이에 존재하는 대기층에 의한 대기복사에너지가 센서로 입사되는 적외선 신호를 말한다. 본 논문에서는 적외선 센서로 들어오는 적외선 신호를 구하는데 있어서 물체 자체에서 방출되는 적외선 신호(L_thermal) 만을 고려하여 분석하였다. 그 이유는 물체의 광학적 표면 특성에 따라 다르지만, 일반적으로 자체 방출 신호는 전체 적외선 신호의 80% 이상이 차지한다는 점을 감안함과 동시에 분석을 단순화시키기 위하여 본 논문에서는 물체 자체에서 방출되는 성분만을 고려하였다.
적외선 신호의 강도는 물체와 센서 사이의 대기층을 통과하는 과정에서 흡수 및 산란에 의하여 감소하게 되며 동시에 대기층 자체에서 방출 및 산란되는 에너지에 의하여 증가하는 부분도 있다. 본 연구에서는 대기층을 통한 감쇠효과를 집중적으로 살펴보기 위하여 적외선 신호를 증가시키는 효과는 문제의 단순화를 위하여 무시하고 분석하고자 한다.
본 연구에서는 센서와 목표물사이의 대기투과도를 계산할 때 비균일한 대기상태를 고려하여야 하는 필요성을 살펴보았다. 대기투과도는 균일한 대기상태를 이용하여 계산한 결과는 비균일 대기상태를 이용하여 계산한 결과에 비하여 MWIR 영역의 경우 약 35%, LWIR 영역의 경우 약 100% 높게 예측하게 됨을 확인하였다.

제안 방법

2를 이용하였다. 기존 연구에서와 같이 Fig. 6에 나타낸 상 대습도 및 대기온도의 평균값을 이용하여 계산된 대기투과도 (평균 대기상태)와 Fig. 2와 같이 거리에 따라 변화하는 상대 습도 및 대기온도를 고려하여 계산된 대기투과도(비균일한 대 기상태)를 구하여 각각 비교하였다. 두 가지 방법으로 계산된 MWIR 영역의 대기투과도는 Fig.
수치적 분석에서는 대기층을 Fig. 2와 같이 0.1 km 간격으로 분할하여 대기상태의 변화를 반영하였다. 이 때 층별 대기투과도를 결정하는 주요인자로서 상대습도 및 대기온도가 고려되었으며, 본 논문에서는 각 층별 대기투과도의 계산은 상용 S/W인 MODTRAN5.
하지만, 실제 환경에서는 대기층의 위치별로 대기 상태가 다르기 때문에 본 논문에서는 대기투과도(τa(λ)) 값을 다음 수식과 같이 위치의 함수로 고려한 국부적인 대기투과도(τa(λ))를 고려하여 나타내었다.

대상 데이터

본 논문에서 고려된 IR 센서는 MWIR(3 ~ 5μm) 및 LWIR (8 ~ 12μm) 2 가지 영역의 센서들이며 이들 센서의 자세한 특성은 Table 1에 나타냈다[9].
본 연구에서 적외선 신호를 분석하기 위하여 고려된 물체는 Fig. 4에 나타낸 바와 같은 함정이며, 계산에 고려된 격자수는 약 10,000개이다. 함정의 전장, 전폭, 전고는 각각 101.
적외선 신호 분석은 자체적으로 개발한 Silhouette(중앙대학교)을 이용하였다[8]. 프로그램의 구성은 물체의 열역학적 재질 및 광학적 표면특성을 입력할 수 있는 재질할당 모듈, 태양 및 대기복사에너지, 기상상태 등을 입력 및 계산할 수 있는 기상분석 모듈, 물체와 물체사이의 복사 형상계수를 계산할 수 있는 형상계수 모듈, 재질의 표면온도를 계산할 수 있는 표면온도 모듈, 물체 자체에서 방출되는 적외선 신호를 계산할 수 있는 self-emitted radiance 모듈, 마지막으로 적외선 신호를 계산할 수 있는 IR 영상 분석 모듈로 이루어져 있다. 이 S/W를 이용하여 적외선 영상을 생성한 예를 Fig.
77m이다. 함정의 재질은 gray 페인트로 도색된 steel이며, Fig. 5에는 도색된 gray 페인트의 광학적 표면 특성을 나타내는 파장별 방사율 데이터를 나타내고 있다.

데이터처리

적외선 신호는 중앙대학교에서 개발한 silhouette을 이용하여 계산하였으며, 기존 연구에서와 같이 Fig. 6에 나타낸 상대습도 및 대기온도의 평균값으로 계산된 대기투과도(균일한 대기상태)를 식 (2)에 대입하여 계산한 결과와 대기층의 거리에 따라 변화하는 상대습도 및 대기온도로 계산된 대기투과도(비균일한 대기상태)를 식 (4)에 대입하여 계산한 결과를 파장대역별로 Fig. 9과 Fig. 10에 각각 나타냈다.

이론/모형

본 연구에서는 대기투과도를 계산하기 위하여 MODTRAN 5.2를 이용하였다. 기존 연구에서와 같이 Fig.
1 km 간격으로 분할하여 대기상태의 변화를 반영하였다. 이 때 층별 대기투과도를 결정하는 주요인자로서 상대습도 및 대기온도가 고려되었으며, 본 논문에서는 각 층별 대기투과도의 계산은 상용 S/W인 MODTRAN5.2를 이용하였다[7].
따라서 본 논문에서는 실측된 기상데이터를 이용하여 함정의 적외선 신호를 계산하여 분석하였다. 적외선 신호 분석은 자체적으로 개발한 Silhouette(중앙대학교)을 이용하였다[8]. 프로그램의 구성은 물체의 열역학적 재질 및 광학적 표면특성을 입력할 수 있는 재질할당 모듈, 태양 및 대기복사에너지, 기상상태 등을 입력 및 계산할 수 있는 기상분석 모듈, 물체와 물체사이의 복사 형상계수를 계산할 수 있는 형상계수 모듈, 재질의 표면온도를 계산할 수 있는 표면온도 모듈, 물체 자체에서 방출되는 적외선 신호를 계산할 수 있는 self-emitted radiance 모듈, 마지막으로 적외선 신호를 계산할 수 있는 IR 영상 분석 모듈로 이루어져 있다.

성능/효과

Fig. 9에서는 MWIR 영역의 경우 평균된 균일한 대기상태를 고려하여 산출된 결과는 비균일한 대기층을 반영하여 산출된 적외선 신호 값에 비하여 평균적으로 약 35% 정도 높게 예측하게 됨을 확인할 수 있다. 또한 Fig.
MWIR 영역의 경우에는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 균일한 대기상태를 고려한 계산결과 보다 최대 약 29.11%, 평균 약 26.08% 정도 대기투과도가 낮게 산출되는 것을 확인하였다. 그러나 LWIR 영역의 경우에는 Fig.
08% 정도 대기투과도가 낮게 산출되는 것을 확인하였다. 그러나 LWIR 영역의 경우에는 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 균일한 대기상태를 고려한 계산결과 보다 최대 약 76.26%, 평균 약 50.20% 정도 대기투과도를 낮게 산출하는 것을 확인하였다. 이러한 대기투과도를 분석한 결과는 MWIR 영역에서보다 LWIR 영역에서 2 km의 관측거리를 기준으로 할 때 약 6배 높게 투과도가 나타내는 것을 확인하였다.
산출된 탐지거리를 살펴본 결과 MWIR 영역의 경우 균일한 대기상태를 고려하여 탐지거리를 산출하였을 때 비균일한 대기상태를 고려하여 산출한 탐지거리에 비하여 약 35% 정도 더 멀게 탐지 가능한 거리를 예측하게 됨을 확인하였다. 그리고 LWIR 영역의 경우 균일한 대기상태를 고려하여 탐지거리를 산출하였을 때 비균일한 대기상태를 고려하여 산출한 탐지거리에 비하여 약 65% 정도 더 멀게 탐지 가능한 거리를 예측하게 됨을 확인하였다.
대기층을 통과하는 적외선 신호는 대기투과도의 정확도에 매우 큰 영향을 받고 있음을 확인하였으며 이러한 대기투과 특성의 정확도는 긴 파장영역에서 더욱 중요함을 확인할 수 있으며, 정확한 대기 투과 특성을 반영하기 위하여 센서와 물체 사이의 비균일한 대기상태를 고려하는 것은 매우 중요한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 센서와 목표물사이의 대기투과도를 계산할 때 비균일한 대기상태를 고려하여야 하는 필요성을 살펴보았다. 대기투과도는 균일한 대기상태를 이용하여 계산한 결과는 비균일 대기상태를 이용하여 계산한 결과에 비하여 MWIR 영역의 경우 약 35%, LWIR 영역의 경우 약 100% 높게 예측하게 됨을 확인하였다. 따라서 대기층을 통과하여 센서에 입사되는 적외선 신호값은 MWIR 영역의 경우 최대 약 1.
대기투과도는 균일한 대기상태를 이용하여 계산한 결과는 비균일 대기상태를 이용하여 계산한 결과에 비하여 MWIR 영역의 경우 약 35%, LWIR 영역의 경우 약 100% 높게 예측하게 됨을 확인하였다. 따라서 대기층을 통과하여 센서에 입사되는 적외선 신호값은 MWIR 영역의 경우 최대 약 1.4배, LWIR 영역의 경우 최대 약 4.2배 높게 예측하게 됨을 확인하였다. 이러한 결과는 탐지거리의 산출 결과에도 영향을 미치게 되며, MWIR 영역의 경우 35%, LWIR 영역의 경우 약 65% 높게 예측하게 됨을 확인하였다.
9에서는 MWIR 영역의 경우 평균된 균일한 대기상태를 고려하여 산출된 결과는 비균일한 대기층을 반영하여 산출된 적외선 신호 값에 비하여 평균적으로 약 35% 정도 높게 예측하게 됨을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 10에서는 LWIR 영역의 경우 평균된 균일한 대기상태를 고려하여 산출된 결과는 비균일한 대기층을 반영하여 산출된 적외선 신호 값에 비하여 평균적으로 약 100% 정도 높게 예측하게 됨을 확인할 수 있다.
이와 같이 탐지거리를 계산한 결과들은 Table 2에 나타내었다. 산출된 탐지거리를 살펴본 결과 MWIR 영역의 경우 균일한 대기상태를 고려하여 탐지거리를 산출하였을 때 비균일한 대기상태를 고려하여 산출한 탐지거리에 비하여 약 35% 정도 더 멀게 탐지 가능한 거리를 예측하게 됨을 확인하였다. 그리고 LWIR 영역의 경우 균일한 대기상태를 고려하여 탐지거리를 산출하였을 때 비균일한 대기상태를 고려하여 산출한 탐지거리에 비하여 약 65% 정도 더 멀게 탐지 가능한 거리를 예측하게 됨을 확인하였다.
이러한 대기투과도를 분석한 결과는 MWIR 영역에서보다 LWIR 영역에서 2 km의 관측거리를 기준으로 할 때 약 6배 높게 투과도가 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 Fig. 8과 같이 불균일도가 매우 큰 대기층을 통과할 경우 파장이 긴 LWIR 영역의 적외선 신호는 센서와 물체 사이의 비균일한 대기상태를 고려하여 분석하는 것이 중요하다는 사실을 확인할 수가 있다.
2배 높게 예측하게 됨을 확인하였다. 이러한 결과는 탐지거리의 산출 결과에도 영향을 미치게 되며, MWIR 영역의 경우 35%, LWIR 영역의 경우 약 65% 높게 예측하게 됨을 확인하였다.
20% 정도 대기투과도를 낮게 산출하는 것을 확인하였다. 이러한 대기투과도를 분석한 결과는 MWIR 영역에서보다 LWIR 영역에서 2 km의 관측거리를 기준으로 할 때 약 6배 높게 투과도가 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 Fig.
이러한 분석 결과는 대기층을 통과하는 적외선 신호는 대기투과도의 정확도에 매우 큰 영향을 받고 있음을 확인하였으며, 또한 이러한 대기투과 특성의 정확도는 긴 파장영역에서 더욱 중요함을 확인할 수 있다. 따라서 대기층을 통과하는 적외선 신호를 정확하게 계산하고자 할 때 정확한 대기 투과 특성을 반영할 필요가 있으며 이를 위하여 센서와 물체 사이의 비균일한 대기상태를 고려하는 것은 매우 중요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 영역의 복사에너지의 특징은 무엇인가?	절대온도가 0 K 이상인 모든 물체는 복사에너지를 방출하며 이러한 복사에너지중 적외선 파장대(infrared waveband)의 에너지를 이용하여 표적을 포착하고 탐지하는 적외선 유도 기술이 군사적으로 많이 활용되고 있다. 적외선 영역의 복사에너지는 빛이 존재하지 않는 야간에도 관측이 가능하게 하고 시계가 불량한 대기 조건에서도 양호한 대기투과 특성을 지니는 파장대를 이용해서 표적을 탐지할 수가 있다. 적외선 탐색기는 군사적으로 공격하는 목적이나 방어하는 목적인 경우에도 물체가 주위 배경에 대비되는 값이 매우 중요하다.
	적외선 유도 기술은 어떤 에너지를 이용하는가?	절대온도가 0 K 이상인 모든 물체는 복사에너지를 방출하며 이러한 복사에너지중 적외선 파장대(infrared waveband)의 에너지를 이용하여 표적을 포착하고 탐지하는 적외선 유도 기술이 군사적으로 많이 활용되고 있다. 적외선 영역의 복사에너지는 빛이 존재하지 않는 야간에도 관측이 가능하게 하고 시계가 불량한 대기 조건에서도 양호한 대기투과 특성을 지니는 파장대를 이용해서 표적을 탐지할 수가 있다.
	함정 표면에서 방출되는 복사에너지를 줄이기위한 노력을 내외부로 구분하면 무엇이 있는가?	함정 표면에서 방출되는 복사에너지는 크게 내부적인 요인과 외부적인 요인으로 나타낼 수 있다. 내부적인 요인으로는 함정의 표면 온도에 의해서 결정되는 데, 함정에는 상대적으로 온도가 높은 내부 엔진 및 연돌 부위에 냉각 장치를 탑재하고 있다. 외부적인 요인으로는 광학적인 함정 표면 재질 특성이 있으며, 복사량을 제어하기 위하여 특수 도료를 도포하거나 해수를 함정 외부 표면에 살포하여 해수면의 온도에 가깝게 냉각시킴으로써 함정과 해수면 사이의 적외선 신호 대비 값을 감소시키기 위해 많은 노력을 하고 있다[2]. 물체와 배경의 적외선 신호를 분석하기 위한 방법으로 적외선 카메라로 분석하고자 하는 물체 및 배경을 촬영한 적외선 영상 데이터를 이용하는 것이 가장 정확하다고 할 수 있다.

참고문헌 (9)

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2012, Kim, D.G., Choi, J.H., Kil, T.J., Kim, J.H. and Kim, T.K., "Experimental Study on Surface Temperature Variation Characteristics of Rectangular Parallelepipeds Constructed by Different Materials for Varying Meteorological Condtions," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol.15, No.2, pp.208-214.

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MODTRAN 5.2.0.0 USER'S Manual
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2007, Shahid, B., "Low-cost PC-based high-fidelity infrared signature modelling and simulation", Cranfield University.

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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