본 논문에서는 인체의 열상대역 저피탐을 위한 선행연구로써 인체에서 방사되는 적외선 신호의 특성을 소개한다. 인체에서 방사되는 적외선 신호는 인체 표면의 방사율과 표면온도에 의하여 결정된다. 따라서 적외선 신호해석을 위하여 표면온도를 정확히 도출할 필요가 있고, 이를 위하여 인체의 열적 편안함을 도출하는데 주로 사용 되어온 체온 조절 작용 및 다층 구조 피부 모델을 적용하여 인체의 표면온도 도출에 사용하였다. 기법의 검증을 위하여 비정상 해석 결과와 실험결과의 비교검증을 수행하였으며, 이로부터 체온 조절 작용이 인체의 표면온도 결정에 미치는 영향을 파악하였다. 비정상 해석을 통해 도출된 표면온도와 피부 및 의복의 방사율을 이용하여 적외선 신호를 도출하였으며, 가상의 배경조건에 따라 나타나는 인체의 적외선 신호 특성을 파악하였다. 의복을 착용함으로써 인체는 저방사 배경과의 적외선 신호차이가 작아지는 반면 고방사 조건에서는 역대비로 인해 오히려 피탐지성이 증가하게 된다.
본 논문에서는 인체의 열상대역 저피탐을 위한 선행연구로써 인체에서 방사되는 적외선 신호의 특성을 소개한다. 인체에서 방사되는 적외선 신호는 인체 표면의 방사율과 표면온도에 의하여 결정된다. 따라서 적외선 신호해석을 위하여 표면온도를 정확히 도출할 필요가 있고, 이를 위하여 인체의 열적 편안함을 도출하는데 주로 사용 되어온 체온 조절 작용 및 다층 구조 피부 모델을 적용하여 인체의 표면온도 도출에 사용하였다. 기법의 검증을 위하여 비정상 해석 결과와 실험결과의 비교검증을 수행하였으며, 이로부터 체온 조절 작용이 인체의 표면온도 결정에 미치는 영향을 파악하였다. 비정상 해석을 통해 도출된 표면온도와 피부 및 의복의 방사율을 이용하여 적외선 신호를 도출하였으며, 가상의 배경조건에 따라 나타나는 인체의 적외선 신호 특성을 파악하였다. 의복을 착용함으로써 인체는 저방사 배경과의 적외선 신호차이가 작아지는 반면 고방사 조건에서는 역대비로 인해 오히려 피탐지성이 증가하게 된다.
Survivability of soldiers has been greatly threatened by the development of thermal observation device(TOD). Therefore, infrared, especially thermal, stealth technology is applied to combat suit to avoid detection from TOD. In this study, prior to the thermal camouflage performance evaluation of com...
Survivability of soldiers has been greatly threatened by the development of thermal observation device(TOD). Therefore, infrared, especially thermal, stealth technology is applied to combat suit to avoid detection from TOD. In this study, prior to the thermal camouflage performance evaluation of combat suit, thermal signature characteristic from clothed the human body was analyzed considering the realistic condition for human surface temperature compared to that from unclothed human body. To get the realistic surface temperature distribution of human, thermoregulation and multi-layer skin structure model is applied to the human model. Based on temperature distribution, surface diffuse radiance in thermal range is calculated and by assuming the background conditions, contrast radiance intensity(CRI) characteristic of human body is analyzed. By wearing clothing, the CRI between background and human body became reduced in low emissive background but in high emissive background, the contrast is much more prominent. Therefore, this issue should be considered in design process of thermal camouflage combat suit.
Survivability of soldiers has been greatly threatened by the development of thermal observation device(TOD). Therefore, infrared, especially thermal, stealth technology is applied to combat suit to avoid detection from TOD. In this study, prior to the thermal camouflage performance evaluation of combat suit, thermal signature characteristic from clothed the human body was analyzed considering the realistic condition for human surface temperature compared to that from unclothed human body. To get the realistic surface temperature distribution of human, thermoregulation and multi-layer skin structure model is applied to the human model. Based on temperature distribution, surface diffuse radiance in thermal range is calculated and by assuming the background conditions, contrast radiance intensity(CRI) characteristic of human body is analyzed. By wearing clothing, the CRI between background and human body became reduced in low emissive background but in high emissive background, the contrast is much more prominent. Therefore, this issue should be considered in design process of thermal camouflage combat suit.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그러나 이런 모델을 바탕으로 병사에서 방출되는 적외선 신호를 도출하고, 이를 저피탐에 활용한 연구는 공개된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 다층 구조 피부 모델과 체온조절 모델을 수치해석에 적용하여 실제에 가까운 의복 및 인체 피부의 표면 온도를 도출함으로써 인체에서 발생하는 적외선 신호 특성을 파악하고자 하였다. 수치해석은 RadThermIR 10.
사용한 수치해석 모델의 격자 및 시간 간격(time step) 테스트 결과 인체의 평균 표면 온도가 격자 개수에 영향을 거의 받지 않음을 확인하였으며, 시간 간격은 30초 이하일 때 평균 표면 온도가 수렴함을 확인하였다. 본 연구에서는 약 55,000 개의 격자를 사용하였으며, 주변 환경이 고온 또는 저온의 극한 조건이므로 체온 조절 작용에 의한 표면온도의 수렴성을 증가시키기 위하여 15초의 시간 간격으로 해석을 진행하였다. 타당성 검증을 위하여 Young 등(1986)의 실험조건에 대한 validation을 수행하였고 실험에서 제시한 시간 변화에 따른 인체의 평균 피부 표면 온도와 수치해석을 통해 계산한 평균 피부 표면 온도를 Fig.
가설 설정
해석에 사용된 의복의 물성 및 의복이 착용된 부위를 Table 1에 나타내었다. 비정상(transient) 해석 시, 의복은 두께가 매우 얇아 비정상 효과에 비해 정상상태 효과가 지배적이므로 의복의 밀도와 비열은 없다고 가정하였다.
인체 외부에 착용된 의복은 머리, 얼굴, 목 양손을 제외한 모든 부위에 적용하였으며 상의는 복부(abdomen)를 포함한 상부의 신체 부분에, 하의는 복부를 포함한 하부의 신체 부분에 착용한 것으로 가정하였다. 특히, 복부에는 속옷과 하의가 함께 존재하여 실제 의복 착용 형상과 유사하도록 설정하였다.
제안 방법
0을 사용해 수행했으며, 인체에서 발생하는 열전달 현상의 해석을 위해 Human Thermal module을 사용하였다. Table 2에 나타낸 경계조건 및 활동수준을 인체 모델에 적용하였으며, 체온조절현상을 반영하기 위해 비정상해석을 수행하였다. 해석에 사용된 격자는 Fig.
0을 사용하여 수행하였으며, 해석에 사용된 피부 다층구조 모델 및 체온 조절 모델은 선행문헌의 실험 결과와 검증하여 타당성을 확보하였다. 검증된 모델을 적용하여 의복 미착용/착용 시 각각 의복 및 피부 표면 온도를 도출하고 이를 체온 조절 작용의 변화양상을 통해 설명하였다. 인체의 피부 및 의복의 표면 온도와 방사율을 이용하여 신체 부분별 확산 방사 강도(diffuse radiance intensity)를 계산하고, 가상의 배경과의 대비를 제시하여 인체에서 발생하는 적외선 신호의 특성을 파악하고 군복의 저피탐지 측면에서 고려해야 할 사항을 제시하였다.
본 연구에서는 인체의 체온 조절 현상 및 다층구조 피부 모델을 적용하여 실제와 유사한 의복 및 피부 표면 온도를 도출하고, 이를 토대로 인체에서 발생하는 적외선 신호를 계산하였다. 도출된 적외선 신호를 가상의 여름/겨울을 나타내는 고방사/저방사 배경조건과 병치하여 의복 착용 시의 배경 대비 적외선 신호를 파악하였다.
인체의 적외선 신호는 의복 및 인체 피부 표면의 방사율과 표면온도로 결정되는데, 수치해석적으로 정확한 적외선 신호를 예측하기 위해서는 이러한 표면 온도를 정확하게 도출하는 과정이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 인체의 체온 조절 현상 및 다층구조 피부 모델을 적용하여 실제와 유사한 의복 및 피부 표면 온도를 도출하고, 이를 토대로 인체에서 발생하는 적외선 신호를 계산하였다. 도출된 적외선 신호를 가상의 여름/겨울을 나타내는 고방사/저방사 배경조건과 병치하여 의복 착용 시의 배경 대비 적외선 신호를 파악하였다.
측정 결과와 수치해석 결과의 경향성과 값 모두 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 체온조절 모델 및 다층 구조 피부 모델이 잘 확립되었다고 판단하여 이후 해석을 진행하였다.
인체의 적외선 신호 도출을 위하여 의복 미착용 시와 착용 시에 각각 500분의 시간동안 체온조절 작용을 고려한 비정상 해석을 수행하여 Fig. 4의 피부 표면 온도 분포를 얻었다. 두 경우 모두 시간에 따라 피부 표면 온도가 증가하다 점차 수렴하는 경향을 나타내었다.
인체의 피부 및 의복의 표면 온도 특성을 파악한 후 이를 적용하여 파장 8~12 마이크로미터의 열상대역 적외선 신호를 도출하였다. 적외선 신호는 의복 미착용 시와 의복 착용 시에 각각 방사되는 확산방사강도를 계산하였으며, 이를 Fig.
검증된 모델을 적용하여 의복 미착용/착용 시 각각 의복 및 피부 표면 온도를 도출하고 이를 체온 조절 작용의 변화양상을 통해 설명하였다. 인체의 피부 및 의복의 표면 온도와 방사율을 이용하여 신체 부분별 확산 방사 강도(diffuse radiance intensity)를 계산하고, 가상의 배경과의 대비를 제시하여 인체에서 발생하는 적외선 신호의 특성을 파악하고 군복의 저피탐지 측면에서 고려해야 할 사항을 제시하였다.
복사열전달은 view factor를 고려한 표면 대 표면 복사(surface to surface radiation)를 계산하였으며 대류열전달은 신체 부분 별로 대류열전달 계수를 측정한 Wang(1990)의 연구를 바탕으로 식 (6)을 적용하였다. 특히 인체의 피부 표면에서 땀의 증발로 발생하는 증발열의 경우 체온조절작용을 바탕으로 계산된 땀의 양과 의복의 투습저항에 의한 의복 내부 수증기압을 고려하여 표면에 직접 작용하는 열유속(imposed heat flux) 으로 계산하였다.
Table 2에 나타낸 경계조건 및 활동수준을 인체 모델에 적용하였으며, 체온조절현상을 반영하기 위해 비정상해석을 수행하였다. 해석에 사용된 격자는 Fig. 2에 나타내었으며 제시된 형상 및 격자를 이용하여 Bioheat equation을 해석하였다. 인체의 외부에서 발생하는 대류, 복사, 증발열을 Fig.
데이터처리
따라서 본 연구에서는 다층 구조 피부 모델과 체온조절 모델을 수치해석에 적용하여 실제에 가까운 의복 및 인체 피부의 표면 온도를 도출함으로써 인체에서 발생하는 적외선 신호 특성을 파악하고자 하였다. 수치해석은 RadThermIR 10.4.0을 사용하여 수행하였으며, 해석에 사용된 피부 다층구조 모델 및 체온 조절 모델은 선행문헌의 실험 결과와 검증하여 타당성을 확보하였다. 검증된 모델을 적용하여 의복 미착용/착용 시 각각 의복 및 피부 표면 온도를 도출하고 이를 체온 조절 작용의 변화양상을 통해 설명하였다.
본 연구에서는 약 55,000 개의 격자를 사용하였으며, 주변 환경이 고온 또는 저온의 극한 조건이므로 체온 조절 작용에 의한 표면온도의 수렴성을 증가시키기 위하여 15초의 시간 간격으로 해석을 진행하였다. 타당성 검증을 위하여 Young 등(1986)의 실험조건에 대한 validation을 수행하였고 실험에서 제시한 시간 변화에 따른 인체의 평균 피부 표면 온도와 수치해석을 통해 계산한 평균 피부 표면 온도를 Fig. 3에 나타내었다. 평균 피부 표면 온도는 식 (7)을 통하여 계산했다.
이론/모형
1(a)와 같이 인체 형상을 모델링하였다. Fiala 등(1999)의 연구에 제시된 신체 부분 별, 다층 구조 피부의 물성을 적용하기 위하여 총 20개의 부분으로 분할하여 모델링을 수행하였다. 모델링 된 신체 부분은 각각 구 또는 원통형으로 가정되며 Fig.
는 풍속이다. anat,afrc,amix는 각 신체 부분마다 달라지는 자연대류, 강제대류, 혼합대류에 의한 계수로 Fiala 등(1999)의 연구에 제시된 값을 이용하였다.
2의 우측에 나타내었다. 복사열전달은 view factor를 고려한 표면 대 표면 복사(surface to surface radiation)를 계산하였으며 대류열전달은 신체 부분 별로 대류열전달 계수를 측정한 Wang(1990)의 연구를 바탕으로 식 (6)을 적용하였다. 특히 인체의 피부 표면에서 땀의 증발로 발생하는 증발열의 경우 체온조절작용을 바탕으로 계산된 땀의 양과 의복의 투습저항에 의한 의복 내부 수증기압을 고려하여 표면에 직접 작용하는 열유속(imposed heat flux) 으로 계산하였다.
수치해석은 RadThermIR 10.4.0을 사용해 수행했으며, 인체에서 발생하는 열전달 현상의 해석을 위해 Human Thermal module을 사용하였다. Table 2에 나타낸 경계조건 및 활동수준을 인체 모델에 적용하였으며, 체온조절현상을 반영하기 위해 비정상해석을 수행하였다.
성능/효과
Fig. 5(a)에 나타나는 것처럼 의복 착용 부분의 피부 표면 온도는 의복의 단열효과로 인하여 의복 미착용시보다 증가하나, 실제 외부로 드러난 의복 표면 온도는 의복 미착용시보다 감소하게 된다. Fig.
Fig. 5(b)에 나타나는 것처럼 외부 노출 부분의 피부 표면 온도 또한 증가하는데 의복에 의해 가려져있지 않아 열저항의 영향이 없음에도 불구하고 의복 미착용 시보다 표면온도가 증가한다. 이는 체온 조절 현상의 분석을 통하여 설명할 수 있다.
사용한 수치해석 모델의 격자 및 시간 간격(time step) 테스트 결과 인체의 평균 표면 온도가 격자 개수에 영향을 거의 받지 않음을 확인하였으며, 시간 간격은 30초 이하일 때 평균 표면 온도가 수렴함을 확인하였다. 본 연구에서는 약 55,000 개의 격자를 사용하였으며, 주변 환경이 고온 또는 저온의 극한 조건이므로 체온 조절 작용에 의한 표면온도의 수렴성을 증가시키기 위하여 15초의 시간 간격으로 해석을 진행하였다.
이는 인체의 표면온도 분포와 의복 및 사람 피부의 방사율 차이에 의하여 결정된다. 이를 저방사/고방사 배경조건과 비교하였을 때, 저방사 배경조건에서는 의복 착용 부분과 외부 노출 부분 모두 비교적 낮은 CRI를 나타내는 반면 고방사 배경조건에서는 의복 착용부 CRI가 저방사 조건에 비해 4.6배 증가하였다. 이는 겨울과 같은 저방사 조건에서는 의복 착용에 의한 저피탐 효과가 나타나지만 여름과 같은 고방사 조건에서는 오히려 역대비가 일어나 피탐지성이 크게 증가함을 알 수 있다.
ask,i는 표면 민감도 계수이며 신체 부분에서 저온 또는 고온 자극에 대한 민감도를 나타내는 계수이다. 측정 결과와 수치해석 결과의 경향성과 값 모두 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 체온조절 모델 및 다층 구조 피부 모델이 잘 확립되었다고 판단하여 이후 해석을 진행하였다.
후속연구
향후에는 다양한 외기조건 및 태양, 하늘, 지표배경 등 실제 배경조건을 고려한 인체의 적외선 신호 특성을 파악하여 병사의 적외선 신호특성을 분석하는 연구 및 의복 방사율의 최적화를 통하여 고방사 배경조건에서의 피탐지성을 최소화하는 연구의 수행이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
온도를 가진 모든 물체는 무엇을 방사하는가?
온도를 가진 모든 물체는 외부로 적외선 신호를 방사한다. 특히, 인체는 36.
열상감시장비의 용도는 무엇인가?
따라서 군사작전의 성공을 위해 항공기나 전차와 같은 무기체계의 적외선 저피탐뿐만 아니라 병사의 피부 표면과 군복에서 발생되는 적외선 신호의 저피탐까지도 고려하여야 한다. 열상감시장비는 인체에서 발생되는 적외선 신호와 배경에서 발생하는 적외선 신호의 대비(contrast radiance)를 포착하므로, 이를 줄일 수 있는 군복 설계를 위해 인체에서 발생하는 적외선 신호 특성을 파악하고 의복 착용 시의 적외선 신호 특성을 예측하는 것이 필요하다.
체온 조절 작용의 인체 내부 제어과정은 어떻게 일어나는가?
체온 조절 작용은 뇌의 시상하부에서 음성 되먹임(negative feedback) 과정을 통하여 자율신경이나 호르몬 농도를 조절하는 기작을 수행함으로써 체온을 일정하게 유지하기 위한 인체 내부의 제어과정이며 크게 세 가지로 나뉜다. 먼저 추운 주변 환경에 적응하기 위해 근육을 떨어 열을 발생시키는 떨림 (shivering)과 표피에 흐르는 혈류량을 조절하여 외부로의 열 발산을 조절하는 혈관운동(vasomotion)이 있다. 마지막으로는 더운 주변 환경에 적응하기 위해 땀을 흘려 증발열을 통한 열 소산을 목적으로 하는 땀흘림(sweating)이 있으며, 이를 통해 인체와 외부 환경 간에 발생하는 열전달 현상을 조절하게 된다.
참고문헌 (6)
Fanger, P. O..
Assessment of man's thermal comfort in practice.
British journal of industrial medicine,
vol.30,
no.4,
313-324.
Fiala, Dusan, Lomas, Kevin J., Stohrer, Martin.
A computer model of human thermoregulation for a wide range of environmental conditions: the passive system.
Journal of applied physiology,
vol.87,
no.5,
1957-1972.
Fiala, D.; Lomas, K. J. etc. "Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental conditions." International journal of biometeorology, v.45 no.3 (2001), pp. 143-159, doi:10.1007/s004840100099.
Tanabe, Shin-ichi, Kobayashi, Kozo, Nakano, Junta, Ozeki, Yoshiichi, Konishi, Masaaki.
Evaluation of thermal comfort using combined multi-node thermoregulation (65MN) and radiation models and computational fluid dynamics (CFD).
Energy and buildings,
vol.34,
no.6,
637-646.
Young, A. J., Muza, S. R., Sawka, M. N., Gonzalez, R. R., Pandolf, K. B..
Human thermoregulatory responses to cold air are altered by repeated cold water immersion.
Journal of applied physiology,
vol.60,
no.5,
1542-1548.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.