[논문]레이저빔을 이용한 펄스변조 적외선탐색기 기만

김성재; 정춘식; 신용산

doi:10.9766/kimst.2019.22.2.179

레이저빔을 이용한 펄스변조 적외선탐색기 기만
Laser-based Jamming of a Pulse Modulated Infrared Seeker 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.2, 2019년, pp.179 - 188

김성재 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 정춘식 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 신용산 (국방과학연구소 제3기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Laser beam is directional and small in divergence angle so that it is well qualified to deliver high intensity infrared energy into a coming MANPADS threat for aircraft survivability. The threat will be deceived and loose tracking of a target when it is exposed to the laser beam modulated relevant to the track mechanism of the threat. The laser beam goes through scattering inside the seeker of the threat and reach the detector in a stray light form, which is a critical phenomenon enabling jamming of the seeker. The mechanism of the laser beam based jamming against a pulse modulated infrared seeker is shown. Simulations are carried out to support the understanding of how the jam technique works.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Schematic of optics(left) and reticle(right) of a pulse modulated infrared seeker
그림 Fig. 2. Schematic of a target on the rotating reticle
그림 Fig. 3. Target signal generated from the model
그림 Fig. 4. Block diagram of a pulse modulated infrared seeker model
그림 Fig. 5. Coordinate system used in the simulation
그림 Fig. 6. Track error simulation for a static target
그림 Fig. 7. Track error simulation for a dynamic target
그림 Fig. 8. Beam spot model for an optical system with ideal surface roughness
그림 Fig. 9. Beam spot model for an optical system with practical surface roughness
그림 Fig. 10. Beam spot distribution prediction due to scattering for different surface roughnesses
그림 Fig. 11. Notion of how a target signal and a laser signal are acquired as the reticle phase varies
그림 Fig. 12. Notion of how a target signal and a laser signal are acquired as error angle varies
그림 Fig. 13. 3D power distribution of laser beam received on the detector through the slit as the reticle rotates and the laser beam moves along the +y axis
그림 Fig. 14. JSR_d prediction for different scattering models as the laser beam moves along the +y axis and the reticle phase remains at 180 deg
그림 Fig. 15. Signal received for lower scattering case during the initial moment of jamming
그림 Fig. 16. Error angle variation for lower scattering case during the initial moment of jamming
그림 Fig. 17. Signal received for higher scattering case during the initial moment of jamming
그림 Fig. 18. Error angle variation for higher scattering case during the initial moment of jamming

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 3세대 펄스변조 적외선탐색기의 한 형태인 슬릿형 적외선탐색기를 모델링하여 기만 원리를 살펴보았다. 기만광원이 조사될 때 탐색기에서 발생하는 산란광 현상을 분석하고 기만이 발생할 요건을 고찰했다.

가설 설정

표면거칠기(surface roughness)는 광부품 표면의 가공 정밀도를 나타낸다. 광부품이 완벽하게 매끈하다고 가정하면 표면거칠기가 0이 된다. 매끈한 광학계에 입사된 광선은 Fig.
레이저빔은 Fig. 11, 12에서 정의된 좌표축에서 (+)y축 위에 있고 오차각 ρ은 0과 FOV/2 사이 값을 가진다고 가정한다.
레이저빔에 비해 표적신호의 크기가 매우 작기 때문에 산란으로 인한 효과가 미미하다. 수준이므로 작기 때문에 계산의 효율성을 위해 표적은 산란모델을 적용하지 않고 점표적 모델로 가정했다.
이때 탐색기는 치구에 장착된 상태로, 유도탄의 움직임이 없는 상황을 모사한다. 유도탄의 움직임이 없기 때문에 표적항공기의 초기 위치가 어디에 있든지 탐색기 LOS가 표적항공기를 지향하고 있다고 가정하였다. 또한 교전거리 2 km에 서 표적항공기가 Hovering 할 때와 수평 비행하는 상황을 모사하여 탐색기 시계 내에서 초당 50 m씩 (-) Y_c방향으로 이동할 때 펄스변조 적외선탐색기가 정상적으로 표적을 추적하는지 확인하였다.
10(a) 와 같이 표적신호보다 100배 강한 레이저신호가 0초 에서 중첩되어 생긴다. 이때 표적신호와 레이저신호가 탐색기 광학계를 거치며 같은 비율로 감쇄된다고 가정한다. 이 경우 레이저신호가 상대적으로 매우 강하므로 탐색기의 표적 추적에 필요한 세차신호보다 큰 세차신호가 생성된다.

제안 방법

1세대 스핀스캔(spin scan) 탐색기와 2세대 콘스캔(conical scan) 탐색기는 플레어(flare)에 취약하여 성능이 제한적이었다. 3세대 탐색기로 진화하면서 다중밴드 검출기를 사용하고 스캔방식을 개선하여 섬광탄과 표적을 구분할 수 있게 되면서 표적 식별력을 향상시켰다^[5].
9의 퍼짐 양상을 밀도 분포로 나타낸 그래프다. Harvey-Shack 모델을 이용하여 현실적인 광학계의 표면(practical surface, S = -1.7)과 표면 산란이 매우 적은 이상적인 광학계의 표면(ideal surface, S = -2.2)을 비교했다[10-12]. 이상적인 광학계는 중심의 최대값이 크고 퍼짐이 작다.
기만 시뮬레이션을 위하여 표적항공기와 펄스변조 적외선탐색기의 상태는 추적신호처리부 모델링의 정상 동작 확인 시 설정한 조건과 동일하게 모사하였고, 표적항공기는 수평 비행하는 상태에서만 시뮬레이션을 수행하였다. 레이저빔 산란 모델은 Harvey 모델을 이용하여 산란 많은 경우와 작은 경우로 나눠 시뮬레이션 하였다.
본 논문은 3세대 펄스변조 적외선탐색기의 한 형태인 슬릿형 적외선탐색기를 모델링하여 기만 원리를 살펴보았다. 기만광원이 조사될 때 탐색기에서 발생하는 산란광 현상을 분석하고 기만이 발생할 요건을 고찰했다. 이를 바탕으로 추적신호와 기만신호가 생성되고 처리되는 계통을 모델링하여 기만 시뮬레이션을 수행하였다.
JSR은 표적과 기만광원 세기를 단순 비교하여 얻을 수 있지만 JSR_d는 검출기에 도달하는 산란광 크기를 예측해야 하므로 복잡한 산란광 시뮬레이션 과정을 거쳐야 한다. 기만이 일어날 수 있는지 판단하기 위해 산란된 레이저빔이 가장 약하게 전달되는 조건, 즉 표적신호와 레이저빔의 위상차가 180도인 경우를 기준으로 계산했다.
모델링과 시뮬레이션을 통해 기만이 일어나는 원리를 고찰하고 기만이 일어날 조건을 살펴보았다. 기만코드로 변조된 레이저빔이 탐색기에 주입될 때 어떻게 기만이 발생하는지를 확인했다. 레이저빔을 이용하여 펄스변조 적외선탐색기를 기만하기 위해선 검출기에 수신되는 기만신호가 표적신호보다 커야 한 다는 사실을 확인했다.
레이저빔을 이용하여 펄스변조 적외선탐색기를 기만하기 위해선 검출기에 수신되는 기만신호가 표적신호보다 커야 한 다는 사실을 확인했다. 내부 광부품의 산란 정도를 조절하여 산란의 영향성도 확인했다.
모델링된 여러 필터를 통과한 표적신호는 입출력간의 지연으로 인하여 원래 위상과 차이가 발생하기 때문에 표적 방향 측정의 오차를 유발시킨다. 따라서 위상보상기를 이용하여 BPF1를 통과한 표적신호의 뒤틀린 위상을 맞춰준다. 위상보상기를 거친 표적신호는 BPF2 회로를 거치며 자이로스코프의 회전주기에 따라 생성되는 표적신호의 100 Hz 대역의 주파수 성분만 통과된다.
유도탄의 움직임이 없기 때문에 표적항공기의 초기 위치가 어디에 있든지 탐색기 LOS가 표적항공기를 지향하고 있다고 가정하였다. 또한 교전거리 2 km에 서 표적항공기가 Hovering 할 때와 수평 비행하는 상황을 모사하여 탐색기 시계 내에서 초당 50 m씩 (-) Y_c방향으로 이동할 때 펄스변조 적외선탐색기가 정상적으로 표적을 추적하는지 확인하였다.
펄스변조 적외선탐색기를 모델링하여 추적 기능을 모사하였고, 탐색기 내부에서 일어나는 산란 현상을 분석했다. 모델링과 시뮬레이션을 통해 기만이 일어나는 원리를 고찰하고 기만이 일어날 조건을 살펴보았다. 기만코드로 변조된 레이저빔이 탐색기에 주입될 때 어떻게 기만이 발생하는지를 확인했다.
앞에서 언급한 2가지 산란 조건을 이용하여 Fig. 14에 펄스변조 적외선탐색기 검출기에 감지되는 신호비 JSR_d(Jamming to Signal Ratio on Detector)를 계산했다. JSR은 표적과 기만광원 세기를 단순 비교하여 얻을 수 있지만 JSR_d는 검출기에 도달하는 산란광 크기를 예측해야 하므로 복잡한 산란광 시뮬레이션 과정을 거쳐야 한다.
기만광원이 조사될 때 탐색기에서 발생하는 산란광 현상을 분석하고 기만이 발생할 요건을 고찰했다. 이를 바탕으로 추적신호와 기만신호가 생성되고 처리되는 계통을 모델링하여 기만 시뮬레이션을 수행하였다.
이와 같이 모델링된 펄스변조 적외선탐색기의 정상 동작 여부를 시뮬레이션을 통하여 확인했다. 시뮬레이터의 좌표계는 Fig.
적외선탐색기 검출기에서 생성되는 표적신호를 모사하기 위해 표적신호발생부를 모델링하였다. 점표적 이미지를 생성한 후 시계방향으로 100 Hz 주기로 회전시켜 표적신호를 생성하였다.
적외선탐색기 검출기에서 생성되는 표적신호를 모사하기 위해 표적신호발생부를 모델링하였다. 점표적 이미지를 생성한 후 시계방향으로 100 Hz 주기로 회전시켜 표적신호를 생성하였다. 위상은 Fig.
레이저빔 산란 모델은 Harvey 모델을 이용하여 산란 많은 경우와 작은 경우로 나눠 시뮬레이션 하였다. 펄스변조 적외선탐색기가 추적을 시작한 후 약 1.3초 후에 기만광원을 1초 동안 조사하도록 모사하였다.
펄스변조 적외선탐색기를 모델링하여 추적 기능을 모사하였고, 탐색기 내부에서 일어나는 산란 현상을 분석했다. 모델링과 시뮬레이션을 통해 기만이 일어나는 원리를 고찰하고 기만이 일어날 조건을 살펴보았다.

이론/모형

광 부품 표면의 불균일에 의한 산란 모델은 다양하게 연구되었는데 대표적으로 Harvey-Shack 모델이 사용된다. Harvey-Shack 모델은 J. E. Harvey 등에 의해 개발된 모델로 다음 식 (1)과 같다. ^[9]
추적신호 대비 기만신호의 비율이 증가할수록 추적신호가 쉽게 왜곡되므로 기만이 효율적으로 일어난다 고 알려져 있다. 기만신호의 크기를 표현하기 위해 JSR(Jamming to Signal Ratio) 개념을 적용한다. JSR은 표적 대비 기만광원의 강도를 나타낸다.
기만 시뮬레이션을 위하여 표적항공기와 펄스변조 적외선탐색기의 상태는 추적신호처리부 모델링의 정상 동작 확인 시 설정한 조건과 동일하게 모사하였고, 표적항공기는 수평 비행하는 상태에서만 시뮬레이션을 수행하였다. 레이저빔 산란 모델은 Harvey 모델을 이용하여 산란 많은 경우와 작은 경우로 나눠 시뮬레이션 하였다. 펄스변조 적외선탐색기가 추적을 시작한 후 약 1.
펄스변조 적외선탐색기 모델과 레이저빔 산란 모델을 적용하여 기만 시뮬레이션을 수행했다. 레이저빔에 비해 표적신호의 크기가 매우 작기 때문에 산란으로 인한 효과가 미미하다.

성능/효과

03도에 수렴하므로 모델링된 탐색기가 정상적으로 고정표적을 추적하고 있음을 알 수 있다. 또한 이동표적인 경우, Fig. 7과 같이 추적이 시작되고 일정시간이 지나면 오차각이 약 0.07도에 수렴하여 모델링된 펄스변조 적외선탐색기가 정상적으로 이동표적을 추적하고 있음을 확인할 수 있다.
기만코드로 변조된 레이저빔이 탐색기에 주입될 때 어떻게 기만이 발생하는지를 확인했다. 레이저빔을 이용하여 펄스변조 적외선탐색기를 기만하기 위해선 검출기에 수신되는 기만신호가 표적신호보다 커야 한 다는 사실을 확인했다. 내부 광부품의 산란 정도를 조절하여 산란의 영향성도 확인했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기만코드를 이용하여 레이저빔을 변조하는 이유는 무엇인가?	이를 위해 적외선탐색기 추적 원리를 이해할 필요가 있다. 추적신호와 유사한 형태로 레이저빔을 변조시켜야 교란이 가능해지기 때문이다. 레이저빔을 변조하는데 필요한 정보는 기만코 드에 담겨 있으므로, 결국 기만코드는 대상 위협체 탐색기의 추적원리로부터 설계된다.
	휴대용대공유도탄(MANPADS: Man Portable Air Defense System)이란?	표적에서 발생하는 열을 추적하여 명중시키는 방식의 휴대용대공유도탄(MANPADS: Man Portable Air Defense System)은 세계적으로 널리 확산되어 항공기의 큰 위협이 되고 있다. 이에 따라 휴대용대공유도탄으로 부터 항공기를 보호하고 전투원의 생존성을 향상시키기 위해 적외선대응책(IRCM: Infrared Countermeasures)의 필요성이 증대되고 있는 상황이다[1-4].
	3세대 탐색기의 특징은?	1세대 스핀스캔(spin scan) 탐색기와 2세대 콘스캔(conical scan) 탐색기는 플레어(flare)에 취약하여 성능이 제한적이었다. 3세대 탐색기로 진화하면서 다중밴드 검출기를 사용하고 스캔방식을 개선하여 섬광탄과 표적을 구분할 수 있게 되면서 표적 식별력을 향상시켰다[5].

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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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