[논문]이종센서 영상탐색기 시험평가를 위한 적외선 표적원 개발

박장한; 송성찬; 정상원

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.11.898

이종센서 영상탐색기 시험평가를 위한 적외선 표적원 개발
Development of Infrared Target for Dual-Sensor Imaging Seeker's Test and Evaluation in HILS System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.11, 2018년, pp.898 - 905

박장한 (한화시스템(주) 전자광학.PGM연구소) , 송성찬 (한화시스템(주) 레이다.PGM연구소) , 정상원 (한화시스템(주) 레이다.PGM연구소)

초록
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본 논문에서는 대지, 대공 표적을 포착 추적할 수 있는 적외선 및 가시광 센서가 탑재된 이종센서 영상탐색기의 종합 성능시험을 위해 구축한 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation) 시스템 내에 적외선 표적원을 제안한다. 이 통합시스템은 다양한 종류의 표적과 시나리오 기반 이동 표적의 궤적을 모사하기 위해 열원 및 광원을 출력하는 100개의 모듈로 구성하였다. 또한 표적에 대한 위치, 속도, 방향, 배경 클러터와 재밍 환경 등을 모사할 수 있다. 이종센서 영상탐색기의 시험평가를 위해 구축된 HILS 시스템의 전체 시스템 구성과 적외선 표적원의 설계 및 측정 결과를 제시한다. 향후에, 구축된 HILS 시스템에서 모의비행 시나리오 기반으로 동적 실시간 포착 추적에 대한 단일 또는 이종센서가 탑재된 이종센서 영상탐색기의 성능을 시험할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, infrared targets for a developed hardware-in-the-loop simulation(HILS) system are proposed for a performance test of a dual-sensor imaging seeker equipped with an infrared and a visible sensor that can lock and track for ground and air targets. This integrated system is composed of 100 modules of heat and light sources to simulate various kinds of target and the trajectory of moving targets based on scenarios. It is possible to simulate not only the position, velocity, and direction for these targets but also background clutter and jamming environments. The design and measurement results of an infrared target, such as the HILS system configuration, developed for testing and evaluation of a dual-sensor imaging seeker are described. In the future, it is planned to test the lock-on and tracking performance of an imaging seeker equipped with single or dual sensors dynamically in real time based on a simulation flight scenario in the developed HILS system.

주제어

표/그림 (17)

그림 그림 1. HILS 시스템 구성 Fig. 1. Configuration of HILS system.
표 표 1. HILS 시스템의 적외선 표적원 요구사항 및 결과 Table 1. Requirements and results for infrared target source of HILS system.
그림 그림 2. 적외선 표적원의 크기 분석 Fig. 2. Size analysis of infrared target sources.
그림 그림 3. 7.0 m 거리에서 포착 가능한 화소 분석 Fig. 3. Analysis of detectable pixels in 7.0 m distance.
그림 그림 4. 적외선 및 가시광 표적원 배열 구조(혼 안테나 포함) Fig. 4. Array configuration for infrared and visible target sources (include horn antenna).
그림 그림 5. 표적운동 모의기 구성도 Fig. 5. Configuration of target motion simulator.
그림 그림 6. 적외선 표적원의 시나리오 생성 및 운용 Fig. 6. Scenario creation and operation of infrared target.
그림 그림 7. 구축된 HILS 시설 및 장비 Fig. 7. Builded HILS facility and equipment.
그림 그림 8. 설치된 적외선 및 가시광 표적원 Fig. 8. Installed infrared and visible target sources.
그림 그림 9. 설치된 표적원과 기준점의 거리 오차 Fig. 9. Distance error between installed target sources and reference point.
그림 그림 10. 설치된 표적원의 고각 및 방위각 오차 Fig. 10. Elevation and azimuth angle error of installed target sources.
그림 그림 11. 적외선 센서를 이용한 적외선 표적원 측정 결과 Fig. 11. Measured results of infrared target sources using imaging infrared senor.
그림 그림 12. 적외선 표적원의 온도 오차 Fig. 12. Temperature error of infrared target sources.
그림 그림 14. 운용자에 의한 적외선 및 가시광 표적원의 시나리오 생성 및 실행제어 콘솔 Fig. 14. Scenario creation and execution consol of target sources by operator.
그림 그림 15. 운용자에 의한 적외선 표적원의 시나리오 생성 및 결과 Fig. 15. Scenario creation and execution consol of target sources by operator.
그림 그림 13. 적외선 및 가시광 표적원의 셔터 구동 결과 Fig. 13. Operational results of infrared and visible target sources.
표 표 2. J. Barth^[9] 방법과 제안된 방법의 비교 Table 2. Comparison of J. Barth^[9] and proposed method.

AI 본문요약
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문제 정의

0 m 이상의 거리에서 이종센서 영상탐색기의 적외선 센서가 2화소 이상을 포착할 수 있는 가장 적정한 크기로 분석되었다. 또한 7.4 m 정도의 거리에서 적외선 표적원을 설치할 때, 온도 오차 및 설치의 기계적 공차 등이 발생할 수 있는 것을 고려하여 7.0 m 정도의 거리에 설치하고자 한다. 적외선 표적원의 열원은 열전 소자(thermoelectric element)로 구성하였으며, 전류의 방향을 바꿈으로 냉각뿐만 아니라, 가열도 가능하고, 온도 변화에 빨리 반응하는 부품을 선정하였다^[12],[13].
본 논문에서는 이종센서 영상탐색기 시험평가를 위한HILS 시스템 내에 적외선 표적원을 제안하였다. 유도탄 운용환경을 고려하여 표적모사를 위해 100개의 적외선/가시광 표적원을 대칭되도록 배치하였고, 표적운동 모의기를 이용하여 표적의 위치, 속도, 방향, 배경 클러터 및 재밍 환경 등의 개별 또는 그룹 형태로 동작하도록 제안하였다.
본 논문은 J. Barth^[9]의 논문에서 언급한 유도탄 및 표적 운용개념을 기반으로 이종센서 영상탐색기의 표적 추적성능시험을 수행하기 위해 고정 표적과 시나리오 기반이동 표적의 기동성을 고려한 표 1의 조건으로 HILS 시스템의 적외선 표적원을 제안하고, 제작된 적외선 표적원에 대하여 결과/충족 여부를 제시한다.
본 절에서는 HILS 시스템 내에 적외선/가시광 표적원을 설치하고, 적외선 표적원에 대한 측정 결과를 제시한다. 그림 7은 실제 구축된 HILS 시설의 무반향 챔버실과 비행자세 모의기이다.
본 절에서는 이종센서 영상탐색기의 시험평가를 위해 구축해야할 HILS 시스템 구성도와 시험장비의 하드웨어 및 적외선 표적원을 분석한 내용에 대해 언급한다.
26～60℃의 온도 구간에서 열전 소자의 최대 온도 편차는 실험을 통하여 확보하였으며, 실험 결과 ±2℃이었다. 적외선 표적원뿐만 아니라, 가시광 표적 원도 제작하였으며, 주요 목적은 적외선 표적원의 동작상황과 표적 움직임을 육안으로 확인하기 위함이다.

제안 방법

J. Barth^[9]의 논문에서 언급된 유도탄 고도와 표적의 거리 및 움직임 등과 같은 유도탄 및 표적의 운용개념을 고려하고, 표 1의 조건을 반영하여 적외선 및 가시광 표적 원을 그림 4와 같이 가로축 및 중앙 위주로 배열하고자 한다. 그림 4에서 가로축 방향은 하나 이상의 표적에 대하여 이동, 일시 정지한 다음 이동, 교차, 거짓 표적 등의 시나리오가 가능하며, 중앙은 정지 및 거짓 표적 등의 시나리오가 가능하다.
그림 4에서 가로축 방향은 하나 이상의 표적에 대하여 이동, 일시 정지한 다음 이동, 교차, 거짓 표적 등의 시나리오가 가능하며, 중앙은 정지 및 거짓 표적 등의 시나리오가 가능하다. 또한 물리적으로 무반향 챔버 기준점(anechoic chamber reference point: ACRP)을 바라보도록 설치하였으며, 각각의 표적원들은 ACRP로부터 등거리를 유지하기 위해 구의 곡면 구조로 제안하였다. 여기에서 적외선 및 가시광 표적원의 구조와 배열 간격은 혼 안테나의 빔 폭, 밀리미터파 탐색기 안테나의 빔 폭 등의 간섭을 최소화하기 위해 4개의 혼 안테나 중앙에 배치하였다.
또한 유도탄 비행궤적을 모사하기 위해 3축 비행자세 제어기를 이용하였다. 마지막으로 시스템 통제제어기는 시나리오 기반 HILS 시스템의 시험장비를 제어하며, 이종센서 영상탐색기와 통신하여 성능 분석하도록 구현하였다. 구축된 HILS 시스템 시설의 무반향 챔버실 내에 표적원 간의 간격은 165 mm로 설치하였으며, 표적원의 고각 및 방위각 오차는 ±0.
시스템 통제제어기의 소프트웨어는 시험 시나리오에 따른 HILS 시스템의 시험절차 및 방법을 관리하며, 수집된 데이터와 모의비행 궤적정보를 분석하여 탐색기의 성능을 평가한다. 표적운동 모의기에 대한 계획적인 운용 등의 시나리오 생성 및 운용 과정은 그림 6과 같다.
본 논문에서는 이종센서 영상탐색기 시험평가를 위한HILS 시스템 내에 적외선 표적원을 제안하였다. 유도탄 운용환경을 고려하여 표적모사를 위해 100개의 적외선/가시광 표적원을 대칭되도록 배치하였고, 표적운동 모의기를 이용하여 표적의 위치, 속도, 방향, 배경 클러터 및 재밍 환경 등의 개별 또는 그룹 형태로 동작하도록 제안하였다. 또한 유도탄 비행궤적을 모사하기 위해 3축 비행자세 제어기를 이용하였다.
또한 물리적으로 무반향 챔버 기준점(anechoic chamber reference point: ACRP)을 바라보도록 설치하였으며, 각각의 표적원들은 ACRP로부터 등거리를 유지하기 위해 구의 곡면 구조로 제안하였다. 여기에서 적외선 및 가시광 표적원의 구조와 배열 간격은 혼 안테나의 빔 폭, 밀리미터파 탐색기 안테나의 빔 폭 등의 간섭을 최소화하기 위해 4개의 혼 안테나 중앙에 배치하였다. 적외선 및 가시광 표적원의 구조와 배열 간격은 혼 안테나의 빔 폭, 밀리미터파 탐색기 안테나의 빔 폭 등의 간섭을 최소화하기 위해 4개의 혼 안테나 중앙에 배치하였다
표 1의 HILS 시스템 공간, 표적원 운용, 표적원 온도 조건 등을 분석하여 이종센서 영상탐색기의 추적성능시험평가를 위한 적외선 표적원을 제안한다. 우선, HILS 시스템 내에 적외선 표적원을 제안하기 위해서는 1995년도에 나토협의체 간 설정된 군사용 장비규격서에서 다루는 적외선 장비^[10]의 표적 탐지, 인지, 식별 거리성능에 대한 정의인 STANAG(STANdardization AGreement)-4347의 기준을 적용해야 한다^[11].

대상 데이터

0 m 정도의 거리에 설치하고자 한다. 적외선 표적원의 열원은 열전 소자(thermoelectric element)로 구성하였으며, 전류의 방향을 바꿈으로 냉각뿐만 아니라, 가열도 가능하고, 온도 변화에 빨리 반응하는 부품을 선정하였다^[12],[13]. 26～60℃의 온도 구간에서 열전 소자의 최대 온도 편차는 실험을 통하여 확보하였으며, 실험 결과 ±2℃이었다.

성능/효과

구축된 HILS 시스템 시설의 무반향 챔버실 내에 표적원 간의 간격은 165 mm로 설치하였으며, 표적원의 고각 및 방위각 오차는 ±0.3° 이내, 기준점과 표적원간의 거리 오차는 최대 5.2 cm 이내로 요구규격을 충족하였다.
그림 10은 적외선/가시광 표적원 100개에 대한 고각 및 방위각 오차를 측정한 결과이며, 방향에 따라 기계적 오차가 최대 ±0.3° 틀어져 있었지만, 이종센서 영상탐색기의 표적 포착 및 추적 성능을 시험하기 위한 조건으로 충분하다고 분석되었다.
HILS 시스템은 모델링 및 시뮬레이션 기반 시험평가 기법으로, 실험실 내에서 유도탄에 탑재되는 구성품 중 탐색기의 하드웨어 성능을 확인하는데 매우 유용한 방법이다^[6]. 또한 실제의 전장 환경처럼 모사하기 힘든 다양한 조건을 제공할 수 있어 실사격 시험 회수의 최소화와 개발기간 단축 및 비용을 절감할 수 있으며, 하드웨어의 실시간성 검증으로 신뢰도를 높일 수 있다. 미국, 러시아, 프랑스, 중국, 독일 등의 유도탄을 개발하는 나라에서는 다양한 종류의 HILS 시스템과 시험장비를 보유 및 운용하고 있다^[7].
2 cm 이내로 요구규격을 충족하였다. 적외선 표적원의 온도 오차는 26～60℃에서 요구규격을 충족하였지만, 70℃에서 3개의 표적원이 오차가 발생한 것을 확인하였다. 이것은 향후 적외선 표적원의 교체 또는 보완작업이 필요하다고 판단된다.

후속연구

그리고 운용자에 의한 표적운동 시나리오 생성하기 사전에 유도탄 운용환경과 표적의 직선, 곡선, 급선회 또는 기동, 정지 등을 고려한 시뮬레이션이 필요하다. 본 논문에서 제안하는 HILS 시스템 내에 시험장비는 유도탄 실사격 시험 전에 이종센서 영상탐색기의 종합성능시험을 위한 최적의 모의비행환경을 제공하리라 기대하고 있으며, 향후에 밀리미터파 탐색기와 동시에 성능시험을 수행할 수 있도록 유도탄 운용환경을 고려한 시나리오를 생성할 예정이다.
2 cm가 떨어져 있음을 확인하였다. 이 중에서 22개는 향후 보정작업을 통해 거리 오차를 1 cm 이내로 보완할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HILS 시스템의 장점은 무엇인가?	HILS 시스템은 모델링 및 시뮬레이션 기반 시험평가 기법으로, 실험실 내에서 유도탄에 탑재되는 구성품 중 탐색기의 하드웨어 성능을 확인하는데 매우 유용한 방법이다[6]. 또한 실제의 전장 환경처럼 모사하기 힘든 다양한 조건을 제공할 수 있어 실사격 시험 회수의 최소화와 개발기간 단축 및 비용을 절감할 수 있으며, 하드웨어의 실시간성 검증으로 신뢰도를 높일 수 있다. 미국, 러시아, 프랑스, 중국, 독일 등의 유도탄을 개발하는 나라에서는 다양한 종류의 HILS 시스템과 시험장비를 보유 및 운용하고 있다[7].
	유도탄에 탑재되는 탐색기란?	일반적으로 유도탄에 탑재되는 탐색기는 표적 탐색 및 인지, 포착, 추적을 수행하여 표적 포착된 위치 정보에 대해 유도탄을 운용제어하는 유도조종장치로 제공하는 역할을 수행하며, 탑재되는 센서의 종류와 복잡 다양한 환경의 대지 및 대공의 표적 특성에 따라 알고리즘 형태는 다를 수 있지만, 기본적인 표적 탐색 및 인지, 포착, 추적등의 기능은 유사하다[1]～[4]. 특히 탐색기는 유도탄의 실사격 시험을 통하여 표적 포착 및 추적 성능을 입증하게 되는데, 실사격 시험은 확보된 예산, 기간과 인력을 고려해야 하므로 실사격 시험 전에 탐색기의 기본 기능과 하드웨어 성능 입증을 실제 환경과 가장 유사한 환경으로 모사가 가능한 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation)가반드시 필요하다[5].
	탐색기의 성능 입증 방식은 무엇인가?	일반적으로 유도탄에 탑재되는 탐색기는 표적 탐색 및 인지, 포착, 추적을 수행하여 표적 포착된 위치 정보에 대해 유도탄을 운용제어하는 유도조종장치로 제공하는 역할을 수행하며, 탑재되는 센서의 종류와 복잡 다양한 환경의 대지 및 대공의 표적 특성에 따라 알고리즘 형태는 다를 수 있지만, 기본적인 표적 탐색 및 인지, 포착, 추적등의 기능은 유사하다[1]～[4]. 특히 탐색기는 유도탄의 실사격 시험을 통하여 표적 포착 및 추적 성능을 입증하게 되는데, 실사격 시험은 확보된 예산, 기간과 인력을 고려해야 하므로 실사격 시험 전에 탐색기의 기본 기능과 하드웨어 성능 입증을 실제 환경과 가장 유사한 환경으로 모사가 가능한 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation)가반드시 필요하다[5]. HILS 시스템은 모델링 및 시뮬레이션 기반 시험평가 기법으로, 실험실 내에서 유도탄에 탑재되는 구성품 중 탐색기의 하드웨어 성능을 확인하는데 매우 유용한 방법이다[6].

참고문헌 (14)

H. Cho, J. Chun, S. Song, and S. Jung, "Improvement of track-to-track fusion for dual-mode homing guidance with target-orientation measurements," Optical Engineering, vol. 54, no. 10, p. 103110, 2015.
송성찬, 나영진, 윤태환, "밀리미터파 탐색기 시험평가를 위한 HILS 및 시험 장비 개발," 한국전자파학회논문지, 23(1), pp. 47-55, 2012년 1월.

원문보기 상세보기
박장한, 정상원, 이원진, 권강훈, "이종센서 영상탐색기에서 추적 결과의 데이터 결정 방법," 한국군사과학기술학회 기계학술대회, pp. 533-534, 2017년 11월.
박종일, 김경태, "SAR 영상을 이용한 자동 표적 식별 기법에 대한 연구," 한국전자파학회논문지, 22(11), pp. 1063-1069, 2011년 11월.

원문보기 상세보기
박혜령, "원적외선 호밍 유도탄 시험을 위한 가상 해상 환경의 구현," 한국군사과학기술학회지, 19(2), pp. 185-194, 2016년 4월.

원문보기 상세보기
박해리, 전인수, 송창준, "HILS를 위한 시뮬레이션 프로그램 설계 기법," 한국군사과학기술학회지, 16(4), pp. 435-440, 2013년 8월.

원문보기 상세보기
MBDA Systems, "Hardware in-the-loop simulation," Available: http://www.mbda-systems.com. Accessed on: Mar. 20, 2018.
E. J. Echblatt, Test and Evaluation of the Tactical Missile, SPIE Press, pp. 117-118, 1993.
J. Barth, A. Fendt, R. Florian, and W. Kieslich, "Dualmode seeker with imaging sensor and semi-active laser detector," in Proceedings SPIE 6542, Infrared Technology and Application XXXIII, 2007, vol. 65423B, pp. 1-7.
최봉준, 이용춘, 윤주현, 김은준, "확산 스펙트럼 생성기를 이용한 적외선 카메라의 방사노이즈 저감에 관한 연구," 한국전자파학회논문지, 27(12), pp. 1097-1104, 2016년 12월.

원문보기 상세보기
박종환, "군용 EO/IR 장비의 시험평가 기준정립방안," 한국군사과학기술학회지, 19(5), pp. 613-617, 2016년 10월.

원문보기 상세보기
박장한, "실시간 적외선 영상추적 검증을 위한 소형 열표적 모듈," 국방과학연구소 창설 40주년 기념 종합학술대회, pp. 270-271, 2010년 8월.
S. Song, G. Noh, J. Yoo, I. Oakley, J. Cho, and A. Bianchi, "Hot & tight: Exploring thermo and squeeze cues recognition on wrist wearables," in Proceeding ISWC '15 Proceedings of the 2015 ACM International Symposium on Wearable Computers, Sep. 2015, pp. 39- 42.
김태동, 이승현, 백경진, 장병준, 정경훈, "휴대형 근적외선/가시광선 분광기를 이용한 의약품 분류기법," 한국전자파학회논문지, 28(8), pp. 628-635, 2017 년 8월.

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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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