KR101914266B1 - 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치 - Google Patents

근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치 Download PDF

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Abstract

근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치는, 근접신관의 시험 폭발목표로 설정된 타켓의 주변에 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 섬광 센싱신호를 검출하는 섬광검출 센서; 상기 타켓의 주변에 다수 개가 서로 같은 평면에 위치하지 않도록 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 폭발 충격파로부터 음압 센싱신호를 검출하는 음압센서; 상기 음압센서, 섬광검출 센서로부터 상기 섬광 센싱신호 및 음압 센싱신호를 입력받고, 입력된 정보를 이용하여 폭발위치 정보를 연산하고 출력하는 메인 측정장치를 포함하며, 상기 메인 측정장치는 상기 섬광검출 센싱신호 및 상기 음압 센싱신호를 입력받고, 주변 환경정보 및 오차정보를 입력받는 입력부; 상기 입력부에서 입력받은 섬광 센싱신호로부터 trigger pulse를 발생시키며, 상기 음압 센싱신호의 노이즈를 제거 필터링하고 유효신호를 증폭 변환하여 음압신호를 발생시키는 신호변환부; 상기 trigger pulse를 카운트하고, 상기 음압신호로부터 충격파 도달시간을 산출하는 카운터부; 상기 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치를 제어하고, 상기 충격파 도달시간 및 상기 다수개의 음압센서의 위치정보를 포함한 정보로부터, 상기 근접신관의 폭발위치를 연산하는 주제어부; 및 상기 연산된 폭발위치 정보를 출력하는 출력부를 포함하되, 상기 주제어부는 다음 수학식 8에 의한 각 음압센서의 오차함수를 산출한 후, 상기 오차함수의 행렬의 합이 0이 되거나, 0에 가깝게 수렴하는 해의 함수를 구하여, 그 함수의 좌표(x, y, z)를 상기 근접신관의 예상 폭발위치로 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112017072229611-pat00041

여기서 xsi, ysi, zsi는 각 음압센서의 위치, x, y, z는 상기 근접신관의 예상 폭발 위치, V0: 음속, τi = (상기 음압센서에서 음압측정 시간 ti ) - (상기 섬광검출 센서에서 섬광 검출시간 t0 ), α는 상기 섬광검출 센서의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것을 의미함.

Description

근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치{Apparatus for measuring explosion position in space of proximity fuze}
본 발명은 근접신관의 폭발 성능시험 시에 근접신관이 타깃(target)으로 설정한 지점에 정확하게 폭발되었는지를 측정하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치에 관한 기술이다.
근접신관은 희망하는 시간 및 위치에 폭발시키는 것으로 착발, 시한, 근접 및 복합신관 등이 있다. 시한신관은 탄환류가 발사될 때에 신관 내의 기구가 작동한 후, 일정시간이 경과하면 물체에 충돌하지 않고도 폭발하는 구조를 갖는 것이다.
폭탄은 지면에 충돌해서 작동되는 것보다 지면 위 일정높이에서 작동하여 폭발하는 것이 파편효과를 극대화 시킬 수 있다. 이러한 탄의 경우 폭발 고도는 지상의 임의 높이에서 신관이 작동되었을 때에 폭발점과 지면과의 최소거리로 신관의 성능을 좌우하는 중요한 인자이다.
따라서 근접신관을 운영 전에 근접신관이 정상적인 성능으로 작동되는지에 대한 테스트 과정을 필요로 하며, 또한 근접신관의 성능을 시험하기 위해서는 정해진 타깃(target)으로부터 폭발되는 폭발고도 및 위치가 정확히 측정되어야 한다.
상기와 같은 폭발 고도 및 위치는 영상처리장치 및 전자광학 트레킹 시스템(Electronic Optical Tracking System)을 사용하여 측정할 수 있지만, 지상 시험장의 지형상 그 전자광학 트레킹 시스템을 설치하기 곤란할 수 있으며, 또한 이를 운용하기가 매우 어려운 문제점이 발생될 수 있다.
본 발명 기술에 대한 배경기술은 대한민국 특허공보 0130601호에 게시된 바 있다.
대한민국 특허공보 0130601호(지상 폭발고도 측정장치 및 방법)
본 발명은 근접신관의 폭발 성능시험 시, 음압센서를 이용하여 근접신관의 지상 공간 폭발 위치를 효율적으로 정밀하게 측정할 수 있는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치는, 근접신관의 시험 폭발목표로 설정된 타켓의 주변에 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 섬광 센싱신호를 검출하는 섬광검출 센서; 상기 타켓의 주변에 다수 개가 서로 같은 평면에 위치하지 않도록 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 폭발 충격파로부터 음압 센싱신호를 검출하는 음압센서; 상기 음압센서, 섬광검출 센서로부터 상기 섬광 센싱신호 및 음압 센싱신호를 입력받고, 입력된 정보를 이용하여 폭발위치 정보를 연산하고 출력하는 메인 측정장치를 포함하며, 상기 메인 측정장치는 상기 섬광검출 센싱신호 및 상기 음압 센싱신호를 입력받고, 주변 환경정보 및 오차정보를 입력받는 입력부; 상기 입력부에서 입력받은 섬광 센싱신호로부터 trigger pulse를 발생시키며, 상기 음압 센싱신호의 노이즈를 제거 필터링하고 유효신호를 증폭 변환하여 음압신호를 발생시키는 신호변환부; 상기 trigger pulse를 카운트하고, 상기 음압신호로부터 충격파 도달시간을 산출하는 카운터부; 상기 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치를 제어하고, 상기 충격파 도달시간 및 상기 다수개의 음압센서의 위치정보를 포함한 정보로부터, 상기 근접신관의 폭발위치를 연산하는 주제어부; 및 상기 연산된 폭발위치 정보를 출력하는 출력부를 포함하되, 상기 주제어부는 다음 식에 의한 각 음압센서의 오차함수를 산출한 후, 상기 오차함수의 행렬의 합이 0이 되거나, 0에 가깝게 수렴하는 해의 함수를 구하여, 그 함수의 좌표(x, y, z)를 상기 근접신관의 예상 폭발위치로 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112017072229611-pat00001
여기서 xsi, ysi, zsi는 각 음압센서의 위치, x, y, z는 상기 근접신관의 예상 폭발 위치, V0: 음속, τi = (상기 음압센서에서 음압측정 시간 ti ) - (상기 섬광검출 센서에서 섬광 검출시간 t0, ) α는 상기 섬광검출 센서의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것을 의미함.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 근접신관의 지상 공간 폭발위치를 측정하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치는, 상기 근접신관의 시험 폭발목표로 설정된 타켓의 주변에 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 섬광 센싱신호를 검출하는 섬광검출 센서; 상기 타켓의 주변에 다수 개가 서로 같은 평면에 위치하지 않도록 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 폭발 충격파로부터 음압 센싱신호를 검출하는 음압센서; 상기 음압센서, 섬광검출 센서로부터 상기 섬광 센싱신호 및 음압 센싱신호를 입력받고, 입력된 정보를 이용하여 폭발위치 정보를 연산하고 출력하는 메인 측정장치를 포함하며, 상기 메인 측정장치는 상기 섬광검출 센싱신호 및 상기 음압 센싱신호를 입력받고, 풍속을 포함한 주변 환경정보 및 오차정보를 입력받는 입력부; 상기 입력부에서 입력받은 섬광 센싱신호로부터 trigger pulse를 발생시키며, 상기 음압 센싱신호의 노이즈를 제거 필터링하고 유효신호를 증폭 변환하여 음압신호를 발생시키는 신호변환부; 상기 trigger pulse를 카운트하고, 상기 음압신호로부터 충격파 도달시간을 산출하는 카운터부; 상기 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치를 제어하고, 상기 충격파 도달시간 및 상기 다수개의 음압센서의 위치정보를 포함한 정보로부터, 상기 근접신관의 폭발위치를 연산하는 주제어부; 및 상기 연산된 폭발위치 정보를 출력하는 출력부를 포함하되, 상기 주제어부는 다음 식에 의한 각 음압센서의 오차함수를 산출한 후, 상기 오차함수의 행렬의 합이 0이 되거나, 0에 가깝게 수렴하는 해의 함수를 구하여, 그 함수의 좌표(x, y, z)를 상기 근접신관의 예상 폭발위치로 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112017072229611-pat00002
- 여기서
Figure 112017072229611-pat00003
이며, wx, wy, wz은 각각 x, y, z 방향의 풍속벡터, xsi, ysi, zsi은 각 음압센서의 위치, x, y, z은 상기 근접신관의 예상 폭발위치, V0: 음속, τi 는 (상기 각 음압센서에서 음압측정 시간 ti) - (상기 섬광검출 센서에서 섬광 검출시간 t0), α는 상기 섬광검출 센서의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것을 의미함.
본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치에 의하면, 근접신관의 폭발 성능시험 시, 경제적인 측정장치에 의하여 근접신관의 지상 공간 폭발 위치를 효율적으로 정밀하게 측정할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)에 의하면, 영상장비를 사용하지 않기 때문에 종래의 영상처리장치 및 전자광학 트래킹 시스템(Electronic Optical Tracking System)에 비하여 간단하게 설치할 수 있으며 경제적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정방법을 수행하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치의 내부 블록도를 도시한 것이다.
도 2는 근접신관이 지상 공간에서 폭발 시 충격파의 변화를 도시한 것이다.
도 3은는 도 3의 각 포인트에서의 충격파의 압력변화를 도시한 것이다.
도 4는 근접신관의 폭발 시 거리 별 전파속도의 변화를 도시한 것이다.
도 5는 폭발충격파의 전파속도 변화와 섬광검출 센서(OP)에 의한 검출펄스의 관계를 도시한 것이다.
도 6, 7은 타켓의 주변에 여러 개의 음압센서를 배치하여 폭발위치를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 폭발 충격파의 전파 속도 및 거리와 바람의 영향을 그래프로 도시한 것이다.
도 9는 바람에 의한 충격파 전파의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 아날로그 섬광검출센서의 충격파신호 검출파형과 실제 충격파의 파형의 예를 도시한 것이다.
도 11은 모의실험에 따른 폭발위치 계측결과 투영도를 X-Y평면 상에 그래프로 나타낸 것이다.
도 12는 모의실험에 따른 폭발위치 계측결과 투영도를 X-Z평면 상에 그래프로 나타낸 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
이하 본 발명의 구현에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정방법을 수행하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치의 내부 블록도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)는, 예상 타깃(target)의 주변에 설치되며, 근접신관이 폭발할 때 발생되는 섬광 센싱신호를 검출하는 섬광검출 센서(OP), 예상 타깃(target)의 주변을 일정 간격을 두고 다수 개가 설치되는 제1 음압센서(SP1) 내지 제n 음압센서(SPn), 섬광검출 센서(OP) 및 제1 음압센서(SP1) 내지 제n 음압센서(SPn)로부터 섬광신호 및 음압신호로부터 입력된 정보를 이용하여 폭발위치 정보를 출력하는 메인 측정장치(10)을 포함한다.
상기 메인 측정장치(10)는 섬광검출 센서(OP) 및 제1 음압센서(SP1) 내지 제n 음압센서(SPn)로부터 섬광 센싱신호 및 음압 센싱신호를 입력받고, 주변 환경정보 및 오차정보를 입력받는 입력부(11), 상기 입력부(11)에서 입력받은 섬광신호로부터 trigger pulse를 발생시키고, 상기 음압 센싱신호의 노이즈를 제거 필터링하고 유효신호를 증폭하여 변환하여 음압신호를 발생시키는 신호변환부(14), 신호변환부(14))에서 발생한 trigger pulse를 카운트하고, 상기 증폭 변환된 음압신호로부터 충격파 도달시간을 산출하는 카운터부(15), 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치의 각 부를 제어하고, 상기 충격파 도달시간 및 상기 제1 음압센서(SP1) 내지 제n 음압센서(SPn)의 위치정보를 포함하여 폭발위치를 연산하는 주제어부(16) 및 상기 연산된 폭발위치 정보를 출력하는 출력부(18)를 포함한다.
상기 주제어부(16)는 주변 환경정보 및 오차정보를 포함하는 정보로부터 오차보정을 연산하는 기능을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)는 근접신관이 타깃(target)으로부터 설정한 타깃(target) 지점에 어느 정도 정확하게 폭발되었는지를 측정하는 것으로써, 상기 섬광검출 센서(OP)는 예상 타깃(target)의 주변에 설치되며 상기 다수의 음압센서 중 어느 하나에 설치될 수 있다.
또한, 제1 음압센서(SP1) 내지 제n 음압센서(SPn)는 예상 타깃(target)의 주변을 둘러싸도록 설치되되, 같은 평면에 위치하지 않도록 설치된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)는 근접신관이 폭발할 때, 상기 섬광검출 센서(OP)의 센싱 신호를 이용하여 근접신관이 폭발 시점을 연산하게 된다.
또한, 상기 섬광검출 센서(OP)에 의한 폭발 시점으로부터 상기 음압센서들이 감지한 음압신호를 이용하여 근접신관의 공간 폭발위치(x, y, z)를 정확하게 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)가 폭발위치를 측정하는 방법은 먼저, 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치의 입력부(11)에 섬광검출 센서(OP)로부터 섬광 센싱신호가 입력되는 섬광신호 입력단계가 수행된다.
상기 섬광검출 센서(OP)는 시험발사장의 타깃(target) 주변에 설치된다, 섬광 센싱신호 입력단계(110)에서는 변환부(14)에서는 상기 입력받은 섬광신호로부터 trigger pulse를 발생시키기는 단계가 포함된다.
다음은, 타깃(target)의 주변에 일정 간격으로 배치된 다수개의 음압센서로부터 음압 센싱신호가 입력되는 음압 센싱신호 입력단계가 수행된다.
바람직한 실시 예에서는 타깃(target)의 주변에 같은 평면에 위치하지 않도록 8개의 음압센서(SP1 ~SP8)가 설치된다.
같은 평면에 위치하지 않도록 배치하는 것은 신관이 지상의 일정 높이에서 폭발되어 전파되는 신호를 서로 다른 높이에서 감지하도록 함으로써, 폭발지점을 정밀하게 산출할 수 있도록 한 것이다.
다음은 신호변환부(14)에서 상기 음압 센싱신호의 노이즈를 제거 필터링하고 유효신호를 증폭하여 압력의 변화를 전기신호인 음압신호로 변환하는 신호변환단계가 수행된다.
다음은, 신호변환부(14))에서 발생한 trigger pulse로부터 시간을 카운트하고, 상기 음압신호로부터 충격파 도달시간을 산출하는 폭발충격파의 도달시간 산출단계가 수행된다.
다음은 주제어부(16)에서 상기 폭발충격파 도달시간 및 상기 제1 음압센서(SP1) 내지 제n 음압센서(SPn)의 위치정보로부터 예상 폭발위치를 연산하여 산출하는 폭발위치 산출단계가 수행된다.
또한, 주제어부(16)는 폭발위치 산출단계(150)에서 풍속 및 온도 등을 포함하는 주변 환경정보를 더 포함하여 상기 예상 폭발위치를 연산할 수 있다.
다음은, 주제어부(16)는 하드웨어적인 시스템 오차에서 발생되는 계측 오차를 포함하는 오차정보로부터 오차보정계수를 산출하고, 상기 예상 폭발위치에 상기 오차보정계수를 적용하여 폭발위치를 산출을 수행하는 오차보정단계를 더 포함할 수 있다.
다음은 출력부에서 산출된 폭발위치를 출력하는 출력단계가 수행된다.
도 2는 근접신관이 지상 공간에서 폭발 시 충격파의 변화를 도시한 것이다.
도 2에서 실선은 폭발충격파가 퍼져서 진행하는 충격파를 나타내며, 점선은 충격파에 의한 반사파를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 탄 또는 신관의 폭발 시 발생하는 폭발 충격파는 도 2와 같이 구면 대칭으로 전파된다. 또한, 공기 중에서 폭발지점으로부터 입사되는 폭발 충격파는 지면이나 수면 등 공기보다 단단한 매질과 부딪히면 반사한다.
도 2에서 공중에서 폭발한 근접신관의 폭발충격파가 퍼져서 지면에 반사하는 예를 단계적으로 도시된다.
도 2에서 첫째 단계(t1)는 충격파의 발생 초기의 상태를 나타낸 것이며, 두 번째 단계(t2)는 지면에 도달하기 직전의 단계를 나타낸 것이다.
그리고 세 번째 단계(t3)는 초기 반사파가 생성된 단계(점선으로 표시)이며, 네 번째 단계(t4)까지 정규반사(regular reflection) 영역(점선으로 표시)으로 정의된다.
그 이후에 마하스템(mach stem)이 형성되는 단계 이후를 마하반사(mach reflection) 영역으로 정의된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서는 8개의 음압센서가 예상 타깃(target)의 주변에 각각 설치된다.
도 3은 도 2의 각 포인트에서의 충격파의 압력변화를 도시한 것이다.
도 3(a)는 도 2의 point A와 같이 지표면 상에 있는 곳에서 관찰된 압력이 시간에 따라 변화하는 모습을 나타낸다.
도 3(a)에서 Pi는 point A의 진행된 충격파 압력이며, Pr은 반사 후의 total 압력을 나타낸다.
도 3(b)는 도 2의 point B에서 관찰된 압력이 시간에 따라 변화하는 모습을 나타낸다.
도 3(b)를 참조하면, 정규반사 영역의 공간에서 압력의 변화에서는 두 개의 분리된 충격파, 즉 입사파와 반사파가 감지된다. 초기단계에서는 입사파와 반사파의 전파속도는 거의 같아. 그러나 반사파는 항상 입사파에 의해서 가세되고 압축된 공기를 통하여 전파된다. 결과적으로 반사파는 입사파보다 더 빠르게 이동하여 어느 시점에서는 입사파를 추월하게 된다. 그 다음은 입사파와 반사파는 합병되어 하나의 충격파로 형성된다.
이러한 입사파와 반사파의 상호작용 과정을 마하반사라 하고, 입사파와 반사파가 합병되는 영역을 마하반사 영역, 그리고 이 합병된 충격파는 마하스템으로 정의된다.
도 3(c)는 도 2의 point D에서 관찰된 압력이 시간에 따라 변화하는 모습을 나타낸다.
도 3(c)를 참조하면, 입사파와 반사파는 합병된 충격파의 변화를 나타낸다.
다시 도 2를 참조하면, 마하반사 영역에서 반사파가 계속하여 입사파를 추월하면서, 반사파와 평형을 이루는 3중점(triple point) 궤적은 점점 상승하는 것으로 나타난다.
폭발충격파가 폭발중심으로부터 임의의 한 지점을 통과하는데 어느 정도 시간이 소요된다.
이 소요시간은 폭발충격파 과압의 크기와 거리에 의해 결정될 수 있다.
신관폭발 시 발생하는 충격파는 어느 정도 거리를 지나면 낮은 압력을 나타내어 음파에 가깝게 되므로 도 3에서 보여주는 3중점은 무시할 수 있다.
충격파 전면의 전파속도는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00004
여기서 ΔP: 충격파 과압, P0: 충격파 전면의 주변압력, ν0: 충격파 전면의 주변 음파속도
수학식 1을 참조하면, 충격파 과압 ΔP의 크기에 따라 충격파의 전파속도 v의 크기도 변화함을 알 수 있다.
3차원 구면파(spherical wave)인 경우 거리별 압력의 크기는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00005
수학식 2는 삼차원으로 전파되는 압력파의 압력은 전파거리에 역 비례함을 나타낸다.
위 내용으로부터 폭발충격파는 충격파 전면에서 불연속적인 압력변화를 나타내며, 폭발 충격파 과압의 크기는 거리에 따라서 역 비례하고 과압의 변화에 따라서 전파속도가 변화하는 것으로 분석될 수 있다.
본 발명은 폭발 충격파의 물리적 성질을 이용하여 폭발 시 발생하는 섬광과 여러 방향으로 배치된 음압 센서로부터 감지된 음압신호를 이용하여 폭발위치를 정밀하데 측정하기 위한 폭발위치 측정장치 및 방법을 제공한다.
76mm 근접신관에 의해 발생된 폭발 충격파의 과압의 크기는 30m 떨어진 지점에서 약 0.01psi를 나타낸다. 76mm 근접신관 폭발충격파의 전파속도는 위 수학식1, 2에 의해 산출될 수 있다(이때 대기온도는 25℃, 음속은 346m/s로 설정함).
도 4는 근접신관의 폭발 시 거리별 전파속도의 변화를 도시한 것이다.
도 4에서 가로축은 폭발지점으로부터의 거리(m)이고 세로축은 속도(m/S)를 나타낸다.
신관의 폭발로 발생되는 충격파는 신관폭발 후 짧은 순간이 경과한 후 음파의
전파속도에 도달하게 된다.
도 4를 참조하면, 0.01psi 압력을 지닌 충격파의 경우 이것의 전파속도는 폭발중심에서 3.75m의 거리에 있을 때, 음속의 99.8%에 도달하는 것으로 나타난다.
폭발충격파가 음파의 전파속도에 근접하는데 ts 시간이 걸리고 이 시간 동안 충격파의 전파통달거리(Rs)는 시간 ts 동안 음파가 전파한 거리와 충격파와 음파의 속도 차를 적분한 값과의 합으로 표현할 수 있다.
이때의 전파거리 Rs는 수학식 3과 같이 산출된다.
Figure 112017072229611-pat00006
여기서 V는 충격파의 속도, V0는 음파의 전파속도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시 예에서는 신관이 폭발할 때 섬광검출 센서(OP)를 이용하여 신관의 폭발 시점을 포착할 수 있다.
도 5는 폭발충격파의 전파속도 변화와 섬광검출 센서(OP)에 의한 검출펄스의 관계를 도시한 것이다.
도 5에서 x축은 시간, y축은 충격파 속도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 신관폭발 시 발생되는 섬광에 의해 섬광검출 센서(OP)에서 펄스가 발생되는데 걸리는 시간은 to가 걸린다.
충격파의 전파속도가 V0에 근접하는 시간인 ts 이후의 음압센서(SP1)에 도달하는 시간 t'까지 경과하는 동안 충격파의 전파거리 R은 수학식 4로 산출된다.
Figure 112017072229611-pat00007
수학식 4에서 상수 α는 섬광검출 센서(OP)의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것이다.
그러나 충격파의 전파속도가 주변음속에 근접하는 시간(ts) 이후에는 α에 대한 영향은 적으며, 충격파의 전파속도는 시 불변인 등속운동으로 간주할 수 있다.
도 5에서 (t' - t0)는 폭발 시 섬광이 발생한 순간부터 음향센서로 충격파 전면을 감지할 때까지 경과된 시간을 나타낸다.
이러한 경과시간은 카운터부(15)의 카운터를 이용하여 계수될 수 있다.
카운터부(15)에서 계수된 경과 시간을 τ라 하면, 경과 시간 τ는 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00008
충격파를 감지하는 음압센서들을 파원으로부터 충격파의 전파속도가 음파의 속도에 근접하는 범위 밖에 설치하면, 그 파원에서 각 음압센서까지 충격파의 전파거리를 구하는 수학식 5의 α는 모두 일정한 것으로 간주할 수 있다.
그러므로 수학식 4로 산출되는 충격파 발생위치와 각 음압센서까지 전파거리에 대한 모델링은 각 방향에 배치된 복수의 음압센서에 적용이 가능하게 된다.
도 6과 7은 타깃(target)의 주변에 여러 개의 음압센서를 배치하여 폭발위치를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이상적인 균일매질에서 신관이 폭발하게 되면, 도 5와 같이 폭발충격파는 구면 대칭으로 전파하게 된다.
도 6에서 t0는 섬광검출 센서(OP)에 의해 감지된 폭발 시간을 나타내며, t'는 음압센서(SP1)가 폭발충격파를 감지한 시간이다.
그리고 ts는 폭발충격파가 음파속도와 같아지는 시간을 나타낸다.
도 7에서는 음압센서를 4개 배치한 것으로 설명되었으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 음압센서를 8개 배치한 것을 특징으로 한다.
폭발위치로부터 음압센서까지의 기하학적 거리와 폭발충격파가 만들어진 후 음향센서까지 전파된 거리는 동일하게 된다.
폭발위치(Pb)로부터 음압센서 1(SP1)에 전파된 거리 벡터 R의 크기는 전술한 수학식 4로 나타낼 수 있으며 다음 수학식 6과 같이 직선거리로 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00009
벡터 R의 크기는 수학식 6과 같이 충격파가 전달된 거리로써 나타낼 수 있다.
폭발위치(Pb)로부터 음압센서(SP1)까지의 직선거리와 충격파의 전파거리는 이상적으로 같다. 그러나 실제로 오차가 존재하며 그 오차의 제곱을 e로 표시하고 수학식 4 및 수학식 6으로부터 오차함수에 대한 수학식 7, 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00010
여기에 수학식4, 6을 적용하면 다음 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00011
여기서 xsi, ysi, zsi는 각 음압센서의 위치, x, y, z: 신관의 예상 폭발 위치, V0: 음속, τi = (각 음압센서에서 음압측정 시간)ti - (섬광검출 센서에서 섬광 검출시간)t0, α는 섬광검출 센서(OP)의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것을 의미한다.
수학식 8에서 각 음압센서(SP1)의 센서위치(xsi, ysi, zsi)는 설치 시에 설정되어 있는 지점으로 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)에 입력되어 있으며, 섬광검출 센서(OP)의 감지신호와 각 음압센서(SP1)의 감지신호로부터 충격파가 음향센서에 도착하는데 경과한 시간 τ가 산출될 수 있다.
수학식 7을 참조하면, 오차함수 ei는 음압센서를 n개 사용할 경우 i번째 센서와 폭발위치까지의 기하학적 직선거리와 충격파의 전파거리 사이의 거리 차의 곱으로 나타난다.
즉, 오차 ei는 폭발위치 (x， y ， z)와 음속(V0) 그리고 α의 함수라 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 타깃(target)의 주변에 평면상에 존재하지 않은 다수 개의 지점에 음압센서를 설치하여 그것들의 정확한 좌표와 각 음압센서(1, 2, 3…n)에 충격파가 전달된 시간(τ1 ~ τn )을 측정하여, 다수 개의 오차함수(ei)의 값이 최소로 되는 다음 수학식 8의 해를 구하여 정확한 폭발위치 (x, y, z)를 산출할 수 있다.
예를 들어 5개의 음압센서를 설치한 경우 이에 대한 오차함수의 행렬식은 다음과 같다.
Figure 112017072229611-pat00012
통일한 평면상이 아닌 n 개의 음압센서를 설치하고 각 센서의 정확한 위치와 각 센서까지 충격파가 전파된 τi(i=1 ， 2 ， 3 ... n : n은 센서의 개수)를 알 수 있다. 그러면 n 개의 음향센서에 의한 n 개의 오차함수들이 얻어진다. 이러한 오차함수들의 행렬값을 최소화시키는 해를 구함으로써 폭발위치(x， y， z)를 산출할 수 있다.
오차함수들의 값을 최소화시키는 해에서는 먼저 가상 폭발위치에 대한 설정된 레퍼런스 지점(xr, yr, zr)을 적용하여 각 오차함수들의 오차행렬 값을 산출한다. 산출된 값이 0이 아닌 경우에는, 상기 레퍼런스 지점(xr, yr, zr)을 각 음압센서 지점의 범위 내에서 순차적으로 이동 대입하여 0이 되거나, 0에 근접하게 수렴하는 지점이 나타날 때까지 연산을 반복적으로 수행한다. 각 오차함수들의 오차행렬 값이 0이 되거나, 0에 근접하게 수렴하는 경우, 이때 산출된 식의 x, y, z의 값이 폭발지점으로 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 레퍼런스 지점(xr, yr, zr)은 최근 시험 시에 산출된 폭발지점으로 설정될 수 있다.
또는 상기 지점(xr, yr, zr)은 제1 오차함수 e1 값이 0이 되는 지점을 첫 번째 레퍼런스 지점으로 설정될 수 있다.
오차함수들의 값을 최소화시키는 해의 일 예로 Newton-Raphson의 방법을 사용하여 수학식 8의 비선형방정식 해를 구할 수 있다.
도 7을 참조하면, 오차함수 ei는 zero에 근접하지만 영이 아닐 수도 있다. 도 7과 같이 4개를 설치하여 시뮬레이션을 한 결과, 실제 지점과 오차범위를 벗어난 오류발생이 간혹 나타나는 것으로 분석되었다.
따라서 바람직한 실시 예에서는 예상 타깃(target) 주변에 8개의 섹터로 나뉘어 평면상이 아닌 8개의 음압센서를 설치하여 폭발지점의 측정에 높은 정밀도를 가지도록 하였다.
음압센서를 8개보다 더 많이 설치할수록 정밀도는 높아질 수 있다. 그러나 8개 이상의 실험에서는 산출한 폭발지점의 차이가 극히 작아서 설치에 따른 비용에 비하여 비경제적이 되는 것으로 분석되었다.
폭발위치를 계측할 때 음원 부근에서 폭풍과 파편들 때문에 음향센서는 폭발위치에서부터 수십 미터 멀어진 곳에 설치하므로 폭발충격파의 전파속도는 바람에 영향을 받을 수 있다.
바람은 균질매질의 등속 운동을 한다고 간주하고, 충격파의 전파속도를 v0, 바람의 속도를 vw라 하면, 충격파의 전파거리 R과 바람에 의한 충격파의 전파거리 Rw와의 관계는 수학식 9로 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00013
도 8은 폭발 충격파의 전파 속도 및 거리와 바람의 영향을 그래프로 도시한 것이다.
음파의 전파속도와 바람의 속도비(vo/vw)가 300일 경우, 음파의 전파거리를 50m라 하면, 도 8 및 수학식 9에 의한 바람에 의한 충격파의 이동거리는 다음과 같다.
Rw/50 = vw /( vo+ vw) = 1/(300+1)
Rw = 50/301= 0.166m
이는 약 0.33%의 오차가 발생됨을 알 수 있다.
따라서 바람이 폭발위치 계측에 영향을 주고 있는 것으로 분석된다.
도 9는 바람에 의한 충격파 전파의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 바람에 의한 공기의 움직임을 균일매질의 등속 운동으로 가정할 경우에 바람에 의한 충격파 전파 형태를 단계적으로 나타낸 것이다.
도 9에서 폭발충격파의 전파속도 벡터는 V, 바람의 풍속벡터는 V w, 폭발위치에서 음압센서까지 거리벡터는 R로 표시된다.
바람을 등속으로 움직이는 균일한 매질의 공기 흐름으로 근사화하면 풍속벡터 Vw,와 거리벡터 R은 다음 수학식 10으로 계산된다.
Figure 112017072229611-pat00014
Figure 112017072229611-pat00015
폭발충격파 발생위치에서 음압센서까지의 직선거리는 다음 수학식 11과 같이 충격파 속도벡터와 풍속벡터를 합한 것을 충격파 도달 시간으로 적분한 것으로 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00016
도 9에서 점 Pb로부터 b까지의 거리는
Figure 112017072229611-pat00017
이며, 점 b로부터 Ps까지의 거리는
Figure 112017072229611-pat00018
이다.
도 9를 참조하면, 충격파의 전파속도 V의 크기는 풍속벡터 V w의 크기보다 훨씬 크므로 점 a로부터 Ps까지의 거리는 점 b로부터 Ps까지의 거리와 거의 같다.
이러한 관계를 수학식 4 및 5를 적용하여 수학식 12로 나타낼 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00019
수학식 12에서 단위 벡터
Figure 112017072229611-pat00020
은
Figure 112017072229611-pat00021
이므로 풍속을 감안한 Pb에서 점 b까지의 거리는 다음 수학식 13으로 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112017072229611-pat00022
여기서, wx, wy, wz은 각각 x, y, z 방향의 풍속벡터를 의미한다.
폭발위치와 i번째 음압센서까지의 기하학적 직선거리와 바람의 영향을 받는 충격파의 전파거리 사이에 오차의 제곱은 수학식 14로 표현될 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00023
다시 수학식 14에 수학식 12를 적용하면 오차의 제곱은 수학식 15로 표현될 수 있다.
Figure 112017072229611-pat00024
여기서,
Figure 112017072229611-pat00025
이며, wx, wy, wz은 각각 x, y, z 방향의 풍속벡터, xsi, ysi, zsi는 각 음압센서의 위치, x, y, z: 상기 근접신관의 예상 폭발 위치, V0: 음속, τi = (상기 각 음압센서에서 음압측정 시간 ti) - (상기 섬광검출 센서에서 섬광 검출시간 t0), α는 상기 섬광검출 센서의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것을 의미한다.
수학식 15에서 x, y, z 방향의 풍속벡터가 입력이 되면, 각 음압센서 위치(xsi, ysi, zsi)와 파원으로부터 음압센서까지 충격파가 도달하는데 걸린 시간 τi로부터 오차 ei를 산출할 수 있다.
따라서 한 평면상에 놓여 있지 않은 8개의 음압센서를 설치하여 충격파가 발생된 후, 각 음압센서에 충격파가 도달된 시간을 측정하면 음압센서 개수에 대응되는 수만큼의 오차함수를 산출할 수 있다.
이러한 8개의 오차함수의 행렬을 최소화하는 해를 구함으로써 예상 폭발위치(x, y, z)를 정확하게 산출할 수 있다.
산출된 예상 폭발위치는 음압센서들의 위치가 이상적으로 설치되고 충격파 신호가 발생된 순간과 그것이 센서에 도착한 시간이 오차를 포함하지 않을 때 정확한 해를 제공한다.
그러나 센서위치 측정이 고도의 정밀기기를 이용하여 측량할지라도 어느 정도 오차를 수반하면 충격파 신호의 도착시각을 계수하는 과정에서 시스템의 시간지연 등의 이유로 인하여 오차가 발생하게 된다.
섬광검출시간을 폭발순간으로 가정하였으나, 섬광검출센서(OP)는 지정된 레벨 이상의 신호크기에서 섬광검출 trigger 펄스를 발생시키게 되는데, 이에 따른 지연시간이 발생될 수 있다. 또한, 충격파의 도착시각은 음압센서에 의해 감지된 신호의 크기가 일정 레벨 이상일 때 발생되는데, 충격파 감지과정에서도 지연시간이 존재할 수 있다. 이러한 지연시간은 서로 상쇄되는 경우도 있으나 시스템의 고유의 특성으로써 충격파 전파시간에 대한 오차로 작용할 수 있다.
도 10은 아날로그 섬광검출센서의 충격파 신호 검출 파형과 실제 충격파의 파형의 예를 도시한 것이다.
도 10의 예를 참조하면, 도 10(a)에서 섬광검출센서에 의한 아날로그 출력신호의 상승시간은 약 0.25ms이며, 도 10(b)에서 실제 충격파의 상승시간은 약 0.03ms이다. 그러므로 각 음압센서까지 충격파의 전파시간의 오차는 -0.25ms보다 크고 0.0ms보다 작은 범위 내에 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 산출된 계측 오차의 형태는 공간상에서 심판 변화를 나타내지 않는 것으로 분석된다. 따라서 시스템 고유의 계측 오차를 특정한 오차함수로 모델링하여 오차보정단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 주제어부(16)는 음압센서 설치 시 획득된 각 음압센서의 위치와 충격파 전달시간 등을 이용하여 상기 산출된 예상 폭발위치 산출결과에 오차보정 단계를 더 수행하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서 공간상의 한 점 에서의 오차 다항식은 다음과 같다.
Figure 112017072229611-pat00026
수학식 16의 다항식에서 함수값 gi(x, y, z)는 폭발위치(x, y, z)와 계산결과인 (xc, yc, zc)와 각 성분에 대한 오차를 의미한다.
본 발명의 일 실시 예에서 폭발위치 각 성분에 대한 오차함수는 다음 수학식 15로 산출된다.
폭발위치에 대한 참값은 x, y, z 이고, xc, yc, zc는 본 발명의 일 실시 예에 따라 주제어부에서 연산된 폭발위치에 대한 산출결과 이다.
Figure 112017072229611-pat00027
수학식 16에서 X 성분에 대한 오차함수를 행렬식으로 표현하면 다음 수학식 17과 같이 주어진다.
Figure 112017072229611-pat00028
여기서,
Figure 112017072229611-pat00029
Figure 112017072229611-pat00030
이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 8개의 음압센서를 움직이지 않게 설치한 후, 음압센서 위치를 저장하고 정해진 위치에서 폭발충격파를 발생시키면, 전술한 방법에 의하여 각 음압센서에 전달된 충격파 신호의 도착시각을 계수하여 폭발충격파 발생위치를 산출할 수 있다. 이 경우 측량된 폭발위치를 참값으로 간주하고 그것에 대응되는 산출 결과의 차이를 이용하여 각 오차함수의 각 계수를 산출할 수 있다.
오차함수의 각 계수들이 한 번 결정되면 그것을 적용할 수 있는 범위 내에서 폭발위치 계측 시마다 오차보정함수로 적용될 수 있다.
오차보정은 먼저 계산된 폭발위치에서 오차추정이 이루어진 후, 계산결과로부터 오차를 보정하는 것으로 이루어질 수 있다. 이 때 추정오차
Figure 112017072229611-pat00031
는 다음 수학식 18과 같이 표현된다.
Figure 112017072229611-pat00032
여기서, F는 하나의 폭발위치 계산결과 xc, yc, zc로 얻어지는 행렬이며, A는
Figure 112017072229611-pat00033
로써 얻어지는 오차함수의 계수행렬이다.
오차보정 후의 값
Figure 112017072229611-pat00034
는 다음 수학식 17로 표현된다.
Figure 112017072229611-pat00035
본 발명의 일 실시 예에 서는 오차보정을 위한 오차보정계수 추출과정은 처음 음압센서 위치들이 설치되고, 수회 시험발사를 통하여 산출될 수 있다. 오차보정계수 산출은, 주제어부에서 산출한 예상 폭발위치 산출위치와 실제 폭발위치의 차이로부터 연산하여 산출된다.
음압센서 위치들이 고정된 경우에는 이전에 추출한 보정계수를 이후 시험단계에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 오차보정은 이전에 산출되어 이미 알고 있는 오차 보정계수를 이용하여 폭발위치를 계산하는 마지막 단계에서 이루어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 오차보정계수는 시험수행 전에 음압센서의 위치 정보와 함께 입력부(11)를 통하여 입력되어 주제어부(16)에 저장된다.
메인 측정장치(10)에서는 상기 폭발위치 산출과 오차보정을 실시한 후에 최종 계측결과를 출력하면서 한 발(round)에 대한 시험측정을 마치고 다음 상태에 대한 준비단계로 들어간다.
표 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)의 계측 정확도를 분석하기 위한 모의실험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112017072229611-pat00036
시험 환경은 하나의 음압센서 설치대에 2개의 센서를 상, 하단에 약 5미터 간격으로 설치하였고， 음압센서 설치대 배치는 가로 세로 각 20m 거리를 떨어뜨린 정방형의 모서리에 설치하였다.
실험 장소는 실제적인 환경보다 약 1/4 정도로 축소시켜 수행하였다.
근접신관의 뇌관 폭발위치는 음압센서 배열상 중앙부분의 가로 10m, 세로 10m 범위 내에 18개의 지점을 규칙적인 배열로 선정하였으며 수치자료를 [표 2] 에 나타내었다.
표 2는 모의실험을 위한 뇌관위치와 폭발위치 산출결과를 나타낸 것이다.
Figure 112017072229611-pat00037
모의실험 과정에서 3개의 뇌관으로 오차보정계수를 먼저 산출하고, 이후 계측결과를 오차보정계수에 의해 오차보정을 한 것을 나타낸다.
도 11은 모의실험에 따른 폭발위치 계측결과 투영도를 X-Y 평면상에 그래프로 나타낸 것이다.
도 12는 모의실험에 따른 폭발위치 계측결과 투영도를 X-Z 평면상에 그래프로 나타낸 것이다.
도 11, 12에서 ○기호는 실제 폭발지점을 표시한 것이고, △기호는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)에 의한 계측결과 위치를 표시한 것이다.
표 2를 참조하면, 폭발위치에 대한 거리오차는 평균 0.07m이며, 최대오차는 0.13 m이고 표준편차는 0.03 m로 나타난다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)는 모의실험 결과 오차 평균 +0.07m의 정확도를 가진다.
근접신관의 시험발사에 따른 근접신관의 작동위치 계측 오차의 허용범위가 O.5m 임을 감안하면, 본 발명의 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)는 측정의 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 폭발위치를 정확하게 측정할 수 있는 것으로 분석된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치(1)에 의하면, 영상장비를 사용하지 않기 때문에 종래의 영상처리장치 및 전자광학 트레킹 시스템(Electronic Optical Tracking System)에 비하여 간단하고 경제적이다.
1: 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치
10: 메인 측정장치
11: 입력부
14: 신호변환부
15: 카운터부
16: 주제어부
18: 출력부
OP: 섬광검출 센서
SP1 ~ SPn: 음압센서

Claims (7)

  1. 근접신관의 지상 공간 폭발위치를 측정하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치에 있어서,
    상기 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치는,
    상기 근접신관의 시험 폭발목표로 설정된 타켓의 주변에 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 섬광 센싱신호를 검출하는 섬광검출 센서;
    상기 타켓의 주변에 다수 개가 서로 같은 평면에 위치하지 않도록 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 폭발 충격파로부터 음압 센싱신호를 검출하는 음압센서;
    상기 음압센서, 섬광검출 센서로부터 상기 섬광 센싱신호 및 음압 센싱신호를 입력받고, 입력된 정보를 이용하여 폭발위치 정보를 연산하고 출력하는 메인 측정장치를 포함하며,
    상기 메인 측정장치는 상기 섬광검출 센싱신호 및 상기 음압 센싱신호를 입력받고, 주변 환경정보 및 오차정보를 입력받는 입력부;
    상기 입력부에서 입력받은 섬광 센싱신호로부터 trigger pulse를 발생시키며, 상기 음압 센싱신호의 노이즈를 제거 필터링하고 유효신호를 증폭 변환하여 음압신호를 발생시키는 신호변환부;
    상기 trigger pulse를 카운트하고, 상기 음압신호로부터 충격파 도달시간을 산출하는 카운터부;
    상기 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치를 제어하고, 상기 충격파 도달시간 및 상기 다수개의 음압센서의 위치정보를 포함한 정보로부터, 상기 근접신관의 폭발위치를 연산하는 주제어부; 및
    상기 연산된 폭발위치 정보를 출력하는 출력부를 포함하되,
    상기 주제어부는 다음 식에 의한 각 음압센서의 오차함수를 산출한 후, 상기 오차함수의 행렬의 합이 0이 되거나, 0에 가깝게 수렴하는 해의 함수를 구하여, 그 함수의 좌표(x, y, z)를 상기 근접신관의 예상 폭발위치로 산출하는 것을 특징으로 하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치.
    Figure 112017072229611-pat00038

    여기서 xsi, ysi, zsi는 각 음압센서의 위치, x, y, z는 상기 근접신관의 예상 폭발 위치, V0: 음속, τi = (상기 음압센서에서 음압측정 시간 ti ) - (상기 섬광검출 센서에서 섬광 검출시간 t0, ) α는 상기 섬광검출 센서의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것을 의미함.
  2. 근접신관의 지상 공간 폭발위치를 측정하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치에 있어서,
    상기 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치는,
    상기 근접신관의 시험 폭발목표로 설정된 타켓의 주변에 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 섬광 센싱신호를 검출하는 섬광검출 센서;
    상기 타켓의 주변에 다수 개가 서로 같은 평면에 위치하지 않도록 설치되며, 상기 근접신관이 폭발할 때 발생되는 폭발 충격파로부터 음압 센싱신호를 검출하는 음압센서;
    상기 음압센서, 섬광검출 센서로부터 상기 섬광 센싱신호 및 음압 센싱신호를 입력받고, 입력된 정보를 이용하여 폭발위치 정보를 연산하고 출력하는 메인 측정장치를 포함하며,
    상기 메인 측정장치는 상기 섬광검출 센싱신호 및 상기 음압 센싱신호를 입력받고, 풍속을 포함한 주변 환경정보 및 오차정보를 입력받는 입력부;
    상기 입력부에서 입력받은 섬광 센싱신호로부터 trigger pulse를 발생시키며, 상기 음압 센싱신호의 노이즈를 제거 필터링하고 유효신호를 증폭 변환하여 음압신호를 발생시키는 신호변환부;
    상기 trigger pulse를 카운트하고, 상기 음압신호로부터 충격파 도달시간을 산출하는 카운터부;
    상기 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치를 제어하고, 상기 충격파 도달시간 및 상기 다수개의 음압센서의 위치정보를 포함한 정보로부터, 상기 근접신관의 폭발위치를 연산하는 주제어부; 및
    상기 연산된 폭발위치 정보를 출력하는 출력부를 포함하되,
    상기 주제어부는 다음 식에 의한 각 음압센서의 오차함수를 산출한 후, 상기 오차함수의 행렬의 합이 0이 되거나, 0에 가깝게 수렴하는 해의 함수를 구하여, 그 함수의 좌표(x, y, z)를 상기 근접신관의 예상 폭발위치로 산출하는 것을 특징으로 하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치.
    Figure 112017072229611-pat00039

    - 여기서
    Figure 112017072229611-pat00040
    이며, wx, wy, wz은 각각 x, y, z 방향의 풍속벡터, xsi, ysi, zsi은 각 음압센서의 위치, x, y, z은 상기 근접신관의 예상 폭발위치, V0: 음속, τi 는 (상기 각 음압센서에서 음압측정 시간 ti) - (상기 섬광검출 센서에서 섬광 검출시간 t0), α는 상기 섬광검출 센서의 시간지연에 따른 충격파의 전파거리와 t0 이후의 폭발충격파의 전파속도와 주변 음속과 차이에 대한 적분치를 합한 것을 의미함.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음압센서는 상기 타켓의 주변에 8개가 서로 같은 평면에 위치하지 않도록 설치되는 것을 특징으로 하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오차함수의 행렬의 합이 0이 되거나, 0에 가깝게 수렴하는 해의 함수를 구하는 것은, 상기 예상 폭발위치에 대한 설정된 레퍼런스 지점(xr, yr, zr)을 적용하여 각 오차함수들의 오차행렬 값을 산출한 다음, 산출된 값이 0이 아닌 경우에는, 상기 레퍼런스 지점(xr, yr, zr)을 각 음압센서 지점의 범위 내에서 순차적으로 이동 대입하여 0이 되거나, 0에 근접하게 수렴하는 지점이 나타날 때까지 연산을 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하되,
    상기 레퍼런스 지점(xr, yr, zr)은 최근 시험 시에 산출된 폭발지점으로 설정되는 것을 특징으로 하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레퍼런스 지점(xr, yr, zr)은 상기 다수 개의 음압센서 중 첫 번째의 제1 오차함수 e1값이 0이 되는 지점을 레퍼런스 지점으로 설정하여 산출하는 것을 특징으로 하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 주제어부는
    하드웨어적인 시스템 오차에서 발생되는 계측오차를 포함하는 오차정보로부터 오차보정계수를 산출하고, 상기 예상 폭발위치에 상기 오차보정계수를 적용하여 상기 근접신관의 폭발위치를 산출하는 것을 특징으로 하되.
    상기 오차보정 단계는 상기 다수 개의 음압센서가 설치된 후, 수회 시험발사를 통하여 상기 주제어부에서 산출한 상기 예상 폭발위치 산출 위치와 실제 폭발위치의 차이로부터 연산하여 산출되는 것을 특징으로 하는 근접신관의 지상 공간 폭발위치 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬광검출 센서는 상기 음압센서 중 어느 하나에 함께 설치되는 것을 특징으로 하는 지상 공간 폭발위치 측정장치.

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