[논문]축소 모델 함정을 이용한 소자 최적화 기법의 해석적 검증

조동진

doi:10.4283/jkms.2017.27.2.063

축소 모델 함정을 이용한 소자 최적화 기법의 해석적 검증
Analytic Verification of Optimal Degaussing Technique using a Scaled Model Ship 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.27 no.2, 2017년, pp.63 - 69

조동진 (국방과학연구소 제6기술연구본부 3부)

초록
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함정은 작전 운용관점에서 음향적 및 자기적으로 정숙성이 요구되며, 그 중에서 함정에서 발생하는 자기장 신호는 근거리에서 적의 감시체계 및 기뢰체계 등 위협세력에 의해 쉽게 노출되게 된다. 따라서 아함의 생존성 증대를 위하여 함정의 자기장 신호저감을 위한 다양한 기법이 연구되고 있으며, 최근에는 단순히 자기장 신호의 크기 감소 뿐 만 아니라 자기장 신호의 변화율 성분에 대한 감소까지 추가적으로 요구되고 있다. 본 논문에서는 상용 전자기 유한요소해석 도구를 이용하여 함정 축소모델에 대한 유도 자기장 신호를 예측하고, 소자코일을 배치하였다. 그리고 기울기 구속조건을 고려한 입자 군집 최적화 알고리즘을 적용하여 소자코일의 최적 소자전류를 도출하였다. 기울기 구속조건 유/무에 따른 소자 후 자기장 신호를 비교함으로써 최적 소자기법의 타당성을 해석적으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Naval ships are particularly required to maintain acoustic and magnetic silence due to their operational characteristics. Among them, underwater magnetic field signals derived by ships are likely to be detected by threats such as surveillance systems and mine systems at close distance. In order to increase the survivability of the vessels, various techniques for reducing the magnetic field signal are being studied and it is necessary to consider not only the magnitude of the magnetic field signal but also the gradient of it. In this paper, we use the commercial electromagnetic finite element analysis tool to predict the induced magnetic field signal of ship's scaled model, and arrange the degaussing coil. And the optimum degaussing current of the coil was derived by applying the particle swarm optimization algorithm considering the gradient constraint. The validity of the optimal degaussing technique is verified analytically by comparing the magnetic field signals after the degaussing with or without gradient constraint.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기울기 구속조건을 적용한 입자 군집 최적화 알고리즘을 함정용 소자장비의 소자코일 최적 소자기법으로 제안하였고, 축소 모델 함정을 이용하여 타당성을 검증하였다. 먼저 유한요소해석을 통해 소자코일을 설계 배치하고, 코일 효과를 도출하였으며, 계산된 코일 효과와 최적 소자기법을 이용하여 수직방향 유도 자기장과 종축방향 유도 자기장을 대상으로 최적 소자 전류를 산출하였다.

가설 설정

ILM에 대한 소자결과는 Table V와 같고, 기울기 구속조건은 750 nT/m로 가정하였다. Fig.
기울기 구속조건 적용 유무에 따라 각각 최적 소자전류를 도출하였고, 유한요소해석을 통하여 소자 결과를 비교하였다. 먼저 IVM에 대한 소자결과는 Table IV와 같고, IVM에 대한 기울기 구속조건은 500 nT/m로 가정하였다. Fig.
함정용 소자장비의 소자 성능은 전원장비의 용량, 소자코일의 개수, 위치, 형상, 최적 소자전류(산출기법)에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 소자코일의 개수를 V 코일, A 코일, L 코일 각각 4, 3, 8개로 선정하고, 해당 개수의 소자코일 운용을 위한 전원장비의 용량은 충분하다고 가정하였다.
2는 최적 소자기법의 타당성 검증을 위하여 제작된 함정 축소 모델의 제원 및 형상을 보여주고 있으며, Table II는 함정의 유도 자기장 예측을 위하여 유한요소해석에 사용된 지구자기장 크기를 포함한 입력 정보를 나타낸다. 선체 비투자율(relative permeability)은 300으로 가정하였고, 실험실(진해 지역)의 위도 및 경도를 반영하여 지구 자기장의 수평 방향은 31,000 nT, 수직 방향은 39,000 nT를 적용하였다.

제안 방법

식(2)는 기울기, 즉 자기장 신호의 미분 성분에 대한 계산식이다. n개의 측정점에서 계측되는 자기장 신호로부터 기울기를 계산하기 위하여, k개의 측정점 간의 거리와 자기장 변화를 이용하였다. k는 기울기 계산 기준이 되는 측정점 개수,d는 측정점 1개간의 거리를 의미한다.
본 논문에서는 함정 축소 모델을 대상으로 먼저 유한요소해석을 통해 모델함의 유도 자기장을 계산하고, 모델함의 유도 자기장의 신호 형태, 내부 공간 및 소자코일 간 간섭 등을 종합적으로 반영하여 소자코일을 설계하였다. 그리고 소자 코일에 일정한 기자력을 인가하여 발생되는 각 코일별 코일 효과(coil effect)를 계산하고, 이를 바탕으로 최적 소자기법을 이용하여 함정의 유도 자기장을 최소화할 수 있는 최적 소자 전류를 도출하였다. 본 연구에 적용된 최적 소자기법은 입자군집 최적화 알고리즘(Particle Swarm Optimization)에 근거를 두고 있으며, 목적함수가 되는 자기장 신호의 크기 뿐 아니라 자기장 신호의 변화 성분을 고려할 수 있도록 기울기 구속조건을 적용하였으며, 기울기 구속조건 유/무에 따른 소자 후 자기장 신호를 비교함으로써 최적 소자기법의 타당성을 해석적으로 검증하고자 한다.
앞 장에서 계산한 코일 효과와 최적 소자기법을 적용하여, 축소 함정의 IVM과 ILM에 대한 최적 소자를 수행하였다. 기울기 구속조건 적용 유무에 따라 각각 최적 소자전류를 도출하였고, 유한요소해석을 통하여 소자 결과를 비교하였다. 먼저 IVM에 대한 소자결과는 Table IV와 같고, IVM에 대한 기울기 구속조건은 500 nT/m로 가정하였다.
먼저 유한요소해석을 통해 소자코일을 설계 배치하고, 코일 효과를 도출하였으며, 계산된 코일 효과와 최적 소자기법을 이용하여 수직방향 유도 자기장과 종축방향 유도 자기장을 대상으로 최적 소자 전류를 산출하였다. 또한 기울기 구속조건의 유무에 따른 소자결과 비교를 통해, 기울기 구속조건을 적용한 최적 소자기법의 타당성을 해석적으로 검증하였다. 향후 모델 함정 내부에 소자코일이 설치된 축소모델 함을 자체 제작하여 제안된 최적 소자기법의 실험적 검증을 수행할 예정이다.
본 논문에서는 기울기 구속조건을 적용한 입자 군집 최적화 알고리즘을 함정용 소자장비의 소자코일 최적 소자기법으로 제안하였고, 축소 모델 함정을 이용하여 타당성을 검증하였다. 먼저 유한요소해석을 통해 소자코일을 설계 배치하고, 코일 효과를 도출하였으며, 계산된 코일 효과와 최적 소자기법을 이용하여 수직방향 유도 자기장과 종축방향 유도 자기장을 대상으로 최적 소자 전류를 산출하였다. 또한 기울기 구속조건의 유무에 따른 소자결과 비교를 통해, 기울기 구속조건을 적용한 최적 소자기법의 타당성을 해석적으로 검증하였다.
본 논문에서는 함정 축소 모델을 대상으로 먼저 유한요소해석을 통해 모델함의 유도 자기장을 계산하고, 모델함의 유도 자기장의 신호 형태, 내부 공간 및 소자코일 간 간섭 등을 종합적으로 반영하여 소자코일을 설계하였다. 그리고 소자 코일에 일정한 기자력을 인가하여 발생되는 각 코일별 코일 효과(coil effect)를 계산하고, 이를 바탕으로 최적 소자기법을 이용하여 함정의 유도 자기장을 최소화할 수 있는 최적 소자 전류를 도출하였다.
그리고 소자 코일에 일정한 기자력을 인가하여 발생되는 각 코일별 코일 효과(coil effect)를 계산하고, 이를 바탕으로 최적 소자기법을 이용하여 함정의 유도 자기장을 최소화할 수 있는 최적 소자 전류를 도출하였다. 본 연구에 적용된 최적 소자기법은 입자군집 최적화 알고리즘(Particle Swarm Optimization)에 근거를 두고 있으며, 목적함수가 되는 자기장 신호의 크기 뿐 아니라 자기장 신호의 변화 성분을 고려할 수 있도록 기울기 구속조건을 적용하였으며, 기울기 구속조건 유/무에 따른 소자 후 자기장 신호를 비교함으로써 최적 소자기법의 타당성을 해석적으로 검증하고자 한다.
함정이 정박된 상태에서 이루어지는 최적 소자전류 산출 단계에서 미분 성분에 대한 구속조건을 추가적으로 적용하기 위해서는 미분 성분에 대한 계산 방법과 구속조건에 대한 기준이 필요하다. 본 연구에서는 자기장의 미분 성분을 기울기로 정의하고, 구속조건에 대한 기준은 상대속도를 고려하여 상수로 정하였다.
소자코일 설계 단계에서는 함정의 영구자화를 정확히 예측할 수 없기 때문에 영구자화 성분을 유도자화 성분의 일정 배율로 가정하여 고려하게 되며, 영구 자기장과 유도 자기장을 대상으로 한 최적 소자전류 산출 결과는 영구 자기장을 고려하지 않았을 때 보다 각 소자전류의 크기가 일정 배율로 증대된 결과를 나타낼 것이다. 실 환경에서는 탈자과정을 거친 후, 실측된 잔류 영구 자기장과 유도 자기장을 대상으로 최적 소자전류를 산출한다.
앞 장에서 계산한 코일 효과와 최적 소자기법을 적용하여, 축소 함정의 IVM과 ILM에 대한 최적 소자를 수행하였다. 기울기 구속조건 적용 유무에 따라 각각 최적 소자전류를 도출하였고, 유한요소해석을 통하여 소자 결과를 비교하였다.
축소 함정의 소자코일 개수는 V, A, L 소자코일별 각각 4, 3, 8개로 한정하였으며, 함정 형상에 따른 내부의 가용 공간, 각 소자코일 조립체간의 간섭 등 설계 제한 사항을 고려하여 설계하였다. Fig.
최적 소자전류를 산출하기 위해서는 설계된 각 소자코일별 코일 효과 산출이 우선되어야 한다. 코일 효과는 소자코일에 일정한 기자력을 인가하였을 때 발생하는 자기장 신호를 의미하며, 유도 자기장과 마찬가지로 유한요소해석을 이용하여 산출하였다. Fig.

이론/모형

PSO는 새들이 먹이를 찾아 무리 행동(flocking behavior)을 하는 것에 착안하고 있으며, 입자(새)들이 이동해가는 과정에서 각 입자가 경험한 최적점(pBest)과 군집 전체가 경험한 최적점(gBest)에 영향을 받아 움직이며, 전역 최적점을 찾는데 효과적이다[6]. 최적점이 한개만 존재하는 단순한 형태의 목적함수의 경우 결정론적 최적화 알고리즘의 적용으로도 신속하고 정확하게 최적 소자전류를 산출이 가능하지만, 본 논문에서는 다양한 구속조건을 적용하기 위해 입자 군집 최적화 알고리즘을 이용하였다[7, 8].

성능/효과

5 nT, 기울기의 최대값은 750 nT/m이다. ILM 성분에 대한 소자 시에는 기울기 구속조건을 적용함에 따라 자기장의 크기는 6.8 % 감소하고, 기울기 최대값 크기도 15.5 % 감소하였다.
5 nT, 기울기 최대값은 500 nT/m이다. 기울기 구속조건을 적용함에 따라 최대 자기장 크기는 15.1 % 증가하였지만, 기울기 최대값 크기는 31.3 % 감소하였고 기울기 구속조건 기준을 만족한다.
소자코일 설계 단계에서는 함정의 영구자화를 정확히 예측할 수 없기 때문에 영구자화 성분을 유도자화 성분의 일정 배율로 가정하여 고려하게 되며, 영구 자기장과 유도 자기장을 대상으로 한 최적 소자전류 산출 결과는 영구 자기장을 고려하지 않았을 때 보다 각 소자전류의 크기가 일정 배율로 증대된 결과를 나타낼 것이다. 실 환경에서는 탈자과정을 거친 후, 실측된 잔류 영구 자기장과 유도 자기장을 대상으로 최적 소자전류를 산출한다.

후속연구

경우에 따라 소자 후 자기장의 크기가 다소 증가될 수는 있지만, 자기장의 기울기 성분을 구속조건에 맞도록 감소시킬 수 있는 장점이 있다. IVM과 ILM 성분에 대한 소자 결과에서 알 수 있듯이, 각기 다른 기울기 구속조건을 만족하는 최적 소자 전류를 산출하였으며, 향후 기울기 구속조건은 함정과 위협세력의 탐지 센서 간의 상대속도를 고려하여 임의로 변경 가능하다.
또한 기울기 구속조건의 유무에 따른 소자결과 비교를 통해, 기울기 구속조건을 적용한 최적 소자기법의 타당성을 해석적으로 검증하였다. 향후 모델 함정 내부에 소자코일이 설치된 축소모델 함을 자체 제작하여 제안된 최적 소자기법의 실험적 검증을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함정의 자기장 신호 저감을 위한 다양한 기법에는 무엇이 있는가?	아군 함정의생존성 확보를 위하여 함정의 자기장 신호 저감을 위한 다양한 기법이 연구되고 적용되고 있다. 함정의 영구 자기장 성분을 감소시키는 탈자기법과 잔류 영구 자기장 성분 및 유도 자기장 성분을 감소시키는 소자기법은 가장 일반적으로 적용되는 기법이다[1, 2]. 일반적으로 잠수함을 포함한 소형 함정의 경우, 함 자체 전원 용량 및 장비 설치 공간의 부족으로 소자장비(Degaussing System)를 탑재하는 데는 많은 제약이 있으며, 근해 작전 임무 수행으로 소자장비 운용의 효용성이 또한 낮았다.
	단순히 자기장 신호의 크기만으로 탐지하는 방법의 한계는 무엇인가?	함정에 대한 자기적 탐지 방법을 살펴보면, 측정 위치에서 자기장 신호의 크기는 물론 자기장 신호의 변화되는 성분을 함께 고려할 수 있다. 단순히 자기장 신호의 크기만으로 탐지하는 방법은 복잡한 수중 환경에서 존재하는 환경 자기장 신호, 주변 자성체 장비에 의해 센서에 유기되는 각종 노이즈 성분들에 의해 오 탐지 또는 미 탐지 가능성이 있게 된다. 따라서 자기장 신호의 변화되는 성분을 함께 고려함으로써 대상 함정의 정확한 탐지 및 식별이 가능하게 된다.
	소자기법이란?	소자는 함정 내부에 종축(Longitudinal), 수직(Vertical), 횡축(Athwartship) 방향으로 다수의 소자코일을 배치하고 전류를 인가하여, 함정에서 발생하는 자기장 신호와 크기는 같으나 방향은 반대인 보상 자기장 신호를 발생시킴으로써, 잔류 영구 자기장 성분과 유도 자기장 성분을 최소화하는 기법이다[3]. 따라서 함정의 소자 최적화는 적의 위협세력에 탐지되지 않기 위하여, 함정 자기장 신호를 최대한 상쇄할 수 있도록 각 소자코일별 최적 소자전류를 인가하는 것이다[4].

참고문헌 (8)

J. Holmes, Exploitation of a Ship's Magnetic Field Signature, Morgan & Claypool (2006).
Official Website of the UNITED STATES NAVY .
J. Holmes, Reduction of a Ship's Magnetic Feild Signature, Morgan & Claypool (2008).
N.-S. Choi, G. Jeung, C.-S. Yang, H.-J. Chung, and D.-H. Kim, IEEE Trans. Magn. 48, 419 (2012).

상세보기
J. Kennedy and R. Eberhart, in Proc. IEEE Int. Conf. Neural Netwroks 4, 1942 (1995).
H. Liu and Z. Ma, Int. Conf. Mechatronics and Automation 3133 (2007).
S. L. Ho, S. Yang, G. Ni, E. W. C. Lo, and H. C. Wong, IEEE Trans. Magn. 41, 1756 (2005).

상세보기
J. H. Seo, C. H. Im, C. G. Heo, J. K. Kim, H. K. Jung, and C. G. Lee, IEEE Trans. Magn. 42, 1095 (2006).

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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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