KR20110035413A - 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치 및 방법 - Google Patents

함정의 자기장 신호원 특성 분석장치 및 방법 Download PDF

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정현주
양창섭
김동훈
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 자기장 신호원 특성 분석 방법은, 함정에서 발생되는 자기장 신호를 측정하기 위해, 일정한 수심에 자기장 신호의 측정을 위한 다수의 자기장 센서를 설치하는 단계; 함정이 정해진 궤적을 이동함에 따라 수중에 설치된 자기장 센서와 함정의 상대적인 이격거리에 따른 센서의 감지신호를 수신하여 자기장 신호를 측정하는 단계; 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산적인 형태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면요소로 분할하는 단계; 측정된 함정의 자기장 신호와 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로, 역문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 단계; 및 역문제 해석부에 의한 역문제 해석 결과를 바탕으로 도출된 선체 표면의 자하 분포로부터 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 측정된 자기장 신호를 바탕으로 역문제 해석방법을 통해 함정의 선체에 분포하는 자하의 크기를 결정하고, 해석 결과로부터 임의의 위치에서의 함정의 자기장 신호를 예측함으로써, 함정의 건조 전후의 예측결과에 대한 높은 신뢰도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

함정의 자기장 신호원 특성 분석장치 및 방법{Apparatus and method for analyzing characteristic of magnetic source on a naval ship}
본 발명은 함정(naval ship)의 자기장 신호원 특성 분석장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 측정된 자기장 신호를 바탕으로 매질 민감도를 이용한 역문제 해석방법으로 함정의 선체에 분포하는 자하의 크기를 결정하고, 그 해석 결과로부터 임의의 위치에서의 함정의 자기장 신호를 예측함으로써, 함정의 건조 전후의 자기장 신호 예측결과에 대한 높은 신뢰도를 얻을 수 있는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 함정에 의해 수중에서 발생하는 전기장, 자기장, 방사소음, 압력 등과 같은 다양한 신호들은 기뢰, 어뢰 및 감시체계에 의해 쉽게 탐지됨으로써 함정에 큰 위험을 초래하는 요소로 작용될 수 있다. 특히 수중 전자기(underwater electromagnetic) 신호와 수중 방사소음(underwater radiation noise) 신호는 세계 각국의 감응기뢰(influence mine)에서 주 탐지원으로 이용되고 있다.
수중 전자기 신호는 강자성 재질로 건조된 선체 및 탑재 장비들에 의한 정자기장(static magnetic field) 신호, 선체 부식 및 부식방지 장치의 전류에 의한 정 전기장(static electric field) 신호, 함정의 운용 시 선체 표면에 발생하는 와전류 및 선체 부식과 부식 방지 전류의 변조에 의한 교류 전자기(alternating electromagnetic field) 신호 등이 있다. 그리고 수중 방사소음 신호는 프로펠러의 회전에 의해 발생하는 추진기 소음, 함정 내에 설치된 각종 장비와 기계류 등으로부터의 소음 및 항해 시 발생하는 유체 소음 등으로 수 Hz 대역에서 수십 kHz 대역까지의 광범위한 주파수 대역에 분포한다. 또한, 수중 방사소음 신호는 함정 소음원으로부터의 이격거리에 따른 해수에서의 신호 감쇄율이 작아 원거리 탐지가 가능하지만 함정의 항해 속도 및 주변 해양 환경 변화에 민감한 특성을 가지므로, 근거리에서 표적 식별이 어렵고 탐지 오류의 확률이 높다. 반면, 수중 전자기 신호는 수중 방사소음에 비해 상대적으로 큰 신호 감쇄율을 가지지만 해양 환경 변화에 무관하여 근거리에서 정확한 표적 식별 및 탐지가 가능하므로 대부분의 기뢰에서 최종 발화 신호원으로 사용하고 있다. 따라서, 함정의 건조 전/후에 함정으로부터 발생하는 수중 전자기 신호들을 예측하여 그 크기를 줄임으로써, 수중 위협세력으로부터 함정의 생존성을 증대시키기 위한 부단한 노력이 세계 각국의 군사 선진국을 중심으로 이루어지고 있다.
함정으로부터 발생하는 수중 전자기 신호의 해석은 분석 대상 함정의 주어진 형상, 재질, 자하(magnetic charge), 자기 다이폴(magnetic dipole), 전류, 전기 다이폴(electric dipole)의 크기 및 위치 정보 등의 입력 조건으로부터 임의의 위치에서의 전자기 신호를 예측하는 정문제(forward problem) 해석과 측정된 신호로부터 입력으로 주어지는 선체 표면의 자하, 자기 다이폴, 전류, 전기 다이폴의 크 기 및 위치 정보를 역으로 찾아내는 역문제(inverse problem) 해석으로 구분할 수 있다.
함정 건조 전의 설계 단계에서의 수중 전자기 신호 특성의 예측은 유한요소법 또는 경계요소법과 같은 수치해석 기법을 이용한 정문제 해석을 통하여 가능하지만 함정의 건조 단계 또는 운용 단계에서의 열적/기계적 응력, 외부 충격/폭발, 선체 도장 손실, 해수의 전도율 변화 등과 같은 외부 환경에 따라 전자기 신호원의 특성이 변화되므로 함정 건조 전의 정문제 해석 과정을 통하여 예측한 결과는 함정 운용단계에서는 그 결과를 신뢰할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 측정된 자기장 신호를 바탕으로 매질 민감도를 이용한 역문제 해석방법으로 함정의 선체에 분포하는 자하의 크기를 결정하고, 그 해석 결과로부터 임의의 위치에서의 함정의 자기장 신호를 예측함으로써, 함정의 건조 전후의 예측결과에 대한 높은 신뢰도를 얻을 수 있는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치는,
함정에서 발생되는 자기장 신호를 측정하기 위한 신호 측정부;
함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하(magnetic charge)를 이산적인 형 태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면요소로 분할하고, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 측정 데이터를 역문제 해석을 위한 목표 데이터로 설정하는 전처리부;
상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로 역문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 역문제 해석부; 및
상기 역문제 해석부에 의한 해석 결과를 바탕으로 도출된 선체 표면의 자하 분포로부터 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하는 후처리부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 신호 측정부는 자기장 신호 감지를 위해 일정한 수심에 설치되는 다수의 자기장 센서와, 함정의 이동궤적을 측정하여 상기 자기장 센서와 함정 간의 상대적인 거리를 측정하기 위한 육상제어부 및 해상제어부와, 상기 자기장 센서와 육상제어부로부터 측정된 신호를 저장하기 위한 자료저장장치를 포함한다.
아울러, 상기 육상제어부 및 해상제어부로는 측정 오차를 최소화하기 위해 DGPS(Differential GPS) 장비가 사용된다.
또한, 상기 역문제 해석부는 역문제 해석 방법을 이용하여 상기 목표 데이터로부터 상기 전처리부에 의해 분할된 함정의 각 면요소의 노드에 이산적으로 분포된 자하의 크기를 구하고, 그 구해진 자하의 크기로부터 다시 측정 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하며, 계산된 결과와 목표 데이터인 측정 결과를 비교하여 그 차이가 목적함수의 수렴범위 내에 존재하면 역문제 해석을 종료한다.
여기서, 상기 목적함수는 신호 측정부의 각 측정점에서 측정된 함정 자기장 신호의 크기와 설계변수(자기장 신호의 소스가 되는 자하)를 바탕으로 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과이다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법은,
신호 측정부, 전처리부, 역문제 해석부 및 후처리부를 포함하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치에 의한 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법으로서,
a) 함정에서 발생하는 자기장 신호를 측정하기 위해, 일정한 수심에 자기장 신호의 측정을 위한 다수의 자기장 센서를 설치하는 단계;
b) 함정이 정해진 궤적을 이동함에 따라 상기 자기장 센서와 함정의 상대적인 이격거리에 따른 센서의 감지신호를 상기 신호 측정부의 해상제어부 및 육상제어부에서 수신하여 자기장 신호의 크기(Bmj)를 측정하는 단계;
c) 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산적인 형태로 분포시키기 위해 상기 전처리부에 의해 함정의 선체 표면을 다수의 면요소로 분할하는 단계;
d) 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로, 상기 역문제 해석부에 의해 역문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드(node)에 분포된 자하의 크기를 결정하는 단계; 및
e) 상기 역문제 해석부에 의한 역문제 해석 결과를 바탕으로 도출된 선체 표면의 자하 분포로부터 상기 후처리부에 의해 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 d)에서의 상기 역문제 해석방법은,
자기장 신호의 크기를 계산하기 위한 설계변수 및 목적함수를 정의하는 단계;
상기 설계변수 및 목적함수가 정의된 후, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와 상기 전처리부에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 수집하는 단계;
설계변수의 초기치(ρi 1)를 0으로 설정하고 k번째 반복단계에서 구해진 설계변수의 크기(ρi k)를 바탕으로 측정지점과 동일한 지점에서의 자기장 신호의 크기 (Bcj k)를 계산하는 단계;
상기 계산된 자기장 신호의 크기(Bcj k)를 바탕으로 목적함수(Fk), 가상소스(Mj k) 및 보조변수(λi k)를 각각 계산하는 단계;
상기 계산된 가상소스(Mj k)와 보조변수(λi k)를 바탕으로 매질 민감도(dF/dp)를 계산하는 단계;
상기 계산된 매질 민감도(dF/dp)와 목적함수(Fk)의 크기로부터 해(解)의 수렴 여부를 판단하는 단계; 및
상기 판단결과, 해가 수렴되면 역문제 해석을 종료하고, 수렴되지 않으면 설계변수(ρi k)의 크기를 수정해 가면서 해가 수렴될 때까지 상기 목적함수(Fk)와 매질 민감도(dF/dp)를 계산하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 설계변수는 자기장 신호의 소스가 되는 자하(ρ)이고, 상기 목적함수는 신호 측정부의 각 측정점에서 측정된 함정 자기장 신호의 크기와 상기 설계변수를 바탕으로 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과이다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 측정된 자기장 신호를 바탕으로 매질 민감도를 이용한 역문제 해석방법을 이용하여 함정의 선체에 분포하는 자하의 크기를 결정하고, 그 해석 결과로부터 임의의 위치에서의 함정의 자기장 신호를 예측함으로써, 함정의 건조 전후의 예측결과에 대한 높은 신뢰도를 얻을 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치는 신 호 측정부(110), 전처리부(130), 역문제 해석부(150), 후처리부(170)를 포함한다.
상기 신호 측정부(110)는 함정에서 발생되는 자기장 신호를 측정한다.
상기 전처리부(130)는 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하(magnetic charge)를 이산적인 형태로 분포시키기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 함정(200)의 선체 표면을 다수의 면요소로 분할하고, 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 측정 데이터를 역문제 해석을 위한 목표 데이터로 설정한다.
상기 역문제 해석부(150)는 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부(130)에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로 역문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정한다.
상기 후처리부(170)는 상기 역문제 해석부(150)에 의한 해석 결과를 바탕으로 도출된 선체 표면의 자하 분포로부터 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산한다.
여기서, 상기 신호 측정부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 자기장 신호 감지를 위해 일정한 수심에 설치되는 다수의 자기장 센서(111∼1XX)와, 함정(200)의 이동궤적을 측정하여 상기 자기장 센서(111∼1XX)와 함정(200) 간의 상대적인 거리를 측정하기 위한 육상제어부(121) 및 해상제어부(122)와, 상기 자기장 센서와 육상제어부(121)로부터 측정된 신호를 저장하기 위한 자료저장장치(123)를 포함한다. 그리고, 상기 육상제어부(121) 및 해상제어부(122)로는 측정 오차를 최소화하기 위해 DGPS(Differential GPS) 장비가 사용된다.
또한, 상기 역문제 해석부(150)는 역문제 해석 방법을 이용하여 상기 목표 데이터로부터 상기 전처리부(130)에 의해 분할된 함정의 각 면요소의 노드에 이산적으로 분포된 자하의 크기를 구하고, 그 구해진 자하의 크기로부터 다시 측정 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하며, 계산된 결과와 목표 데이터인 측정 결과를 비교하여 그 차이가 목적함수의 수렴범위 내에 존재하면 역문제 해석을 종료한다.
여기서, 상기 목적함수는 신호 측정부의 각 측정점에서 측정된 함정 자기장 신호의 크기와 설계변수(자기장 신호의 소스가 되는 자하)로부터 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과이다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치를 이용한 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 따라, 먼저 함정(200)에서 발생하는 자기장 신호를 측정하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 일정한 수심에 자기장 신호의 측정을 위한 다수의 자기장 센서(111∼1XX)를 설치한다(단계 S401).
그리고, 함정(200)이 정해진 궤적을 이동함에 따라 상기 자기장 센서(111∼1XX)와 함정(200)의 상대적인 이격거리에 따른 센서의 감지신호를 상기 신호 측정 부(110)의 해상제어부(122) 및 육상제어부(121)에서 수신하여 자기장 신호를 측정한다(단계 S402).
한편, 이상과 같은 일련의 과정이 진행되는 동안, 혹은 진행되기 전에, 함정 (200)의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산적인 형태로 분포시키기 위해 상기 전처리부(130)에 의해 함정(200)의 선체 표면을 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 면요소(211)로 분할한다(단계 S403).
이후, 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부(130)에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로, 상기 역문제 해석부(150)에 의해 역문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드(212)에 분포된 자하의 크기를 결정한다(단계 S404). 여기서, 역문제 해석 방법에 대하여는 뒤에서 다시 자세히 설명한다.
그런 다음, 상기 역문제 해석부(150)에 의한 역문제 해석 결과를 바탕으로 도출된 선체 표면의 자하 분포로부터 상기 후처리부(170)에 의해 함정(200)의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산한다(단계 S405).
한편, 도 5 및 도 6은 본 발명의 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 사용된 역문제 해석 방법의 개념을 도식적으로 설명하는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, n개의 각 측정점(511∼5XX)으로부터 측정된 자기장 신호(Bm1, Bm2, ..., Bmn)의 크기(510)로부터 역문제 해석 과정을 통하여 함정(200)의 요소면(211)의 노드(212)에 분포하는 자하의 크기를 모델링하고, 이렇게 모델링된 결과로부터 도 6과 같이 임의의 위치에서의 자기장 신호(Bc1, Bc2, ..., Bcn)의 크기 (550)를 계산할 수 있다.
도 7은 이상과 같은 역문제 해석방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 역문제 해석방법에 따라, 먼저 자기장 신호의 크기를 계산하기 위한 설계변수 및 목적함수를 정의한다(단계 S701). 여기서, 설계변수는 자기장 신호의 소스가 되는 자하(ρ)가 된다. 그리고, 목적함수는 최소자승법에 의해 도 5의 측정된 자기장 신호의 크기(510)와 설계변수를 바탕으로 계산된 자기장 신호의 크기(550)(도 6 참조)와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과이다.
상기 설계변수 및 목적함수가 정의된 후, 상기 신호 측정부(110)에 의해 측정된 함정의 자기장 신호(즉, 측정 데이터(Bmj))와 상기 전처리부(130)에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 수집한다(단계 S702).
그런 후, 각 요소변의 노드에 분포하는 q개의 설계변수의 초기치(ρi 1)를 0으로 설정하고(단계 S703), k번째 반복단계(후술되는 단계 S708의 판단 결과, 해가 수렴되지 않아 단계 S709에 의해 설계변수가 수정된 반복횟수에 따른 단계로서, 1회째 수정 시 첫 번째 반복단계, 2회째 수정 시 두 번째 반복단계,.., k번째 수정 시 k 번째 반복단계임)에서 구해진 설계변수의 크기(ρi k)(즉, 자하)를 바탕으로 측정지점과 동일한 지점에서의 자기장 신호의 크기(Bcj k)를 계산한다(단계 S704). 여 기서, 설계변수의 크기(ρi k)(즉, 자하)를 바탕으로 한 자기장 신호의 크기(Bcj k)는 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112009060289985-PAT00001
여기서, Bcj k는 n개의 측정지점 중 j번째 측정지점에서 계산된 자기장 신호의 크기, μ0는 공기중에서의 투자율, ri는 q개의 노드 중 i번째 노드로부터 측정 위치까지의 거리, ρi k는 q개의 요소변 노드 중 k번째 반복단계의 i번째 노드에서의 자하의 크기를 각각 나타낸다.
이렇게 하여 자기장 신호의 크기(Bcj k)가 계산되면, 그 계산된 자기장 신호의 크기(Bcj k)를 바탕으로 목적함수(Fk), 가상소스(Mj k) 및 보조변수(λi k)를 각각 계산한다(단계 S705,S706). 여기서, 상기 가상소스(Mj k)는 자하(ρi k)에 대응하는 개념으로 목적함수(Fk)의 미분치로 구성된다. 후술되는 도 9에서의 M값들이 이 가상소스(Mj k)에 해당한다. 또한, 상기 보조변수(λi k)는 상기 가상소스(Mj k)를 구하는 계산 식(아래의 수식 참조)에 의해 구해진 일종의 상태변수 값을 말한다.
상기 목적함수(Fk), 가상소스(Mj k) 및 보조변수(λi k)는 각각 다음의 수식 관계로 표현할 수 있다.
Figure 112009060289985-PAT00002
여기서, Bmj는 n개의 측정지점 중 j번째 측정지점에서 측정된 자기장 신호의 크기, Bcj k는 k번째 반복 단계에서 j번째 측정지점에서 계산된 자기장 신호의 크기를 나타낸다.
Figure 112009060289985-PAT00003
Figure 112009060289985-PAT00004
이상에 의해 목적함수(Fk), 가상소스(Mj k) 및 보조변수(λi k)가 계산되면, 그 계산된 가상소스(Mj k)와 보조변수(λi k)를 바탕으로 매질 민감도(dF/dp)를 계산한다( 단계 S707). 여기서, 매질 민감도(dF/dp)란 자기장 신호원인 자하의 미소변화에 대한 목적함수(Fk)의 미소변화량, 즉 기울기 정보를 말한다. 이때 "dp"의 p는 설계변수를 의미하는 것으로 자하(ρ)에 해당한다.
이상과 같은 매질 민감도(dF/dp)를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112009060289985-PAT00005
여기서, dρi/dp는 자하의 미세변화율, λi k는 보조변수를 각각 나타낸다.
이렇게 하여 매질 민감도(dF/dp)가 계산되면, 그 계산된 매질 민감도(dF/dp)와 목적함수(Fk)의 크기로부터 해(解)의 수렴 여부를 판단한다(단계 S708). 여기서, 해는 함정 선체의 표면, 즉 각 면요소(211)의 노드(212)(도 5 참조)에 분포하는 자기장 신호원인 각각의 자하의 크기를 말한다. 그리고, 역문제 해석 과정에서 반복을 통해서 각 면요소(211)의 노드(212)에 분포하는 자하의 크기를 갱신하게 되는데 실제 함정의 자기장 신호원과 근사한 크기를 찾으면, 도 10과 같이 측정된 신호와 역문제 해석 과정을 통해 구한 자하의 크기로부터 상기 단계 S704에 의해 계산된 자기장 신호의 크기가 유사하게 되면, 상기 단계 S705에서의 목적함수(Fk)의 크기도 일정값 이하가 된다. 이러한 목적함수(Fk)의 결과로부터 해가 수렴하는지의 여부를 판단하게 된다.
상기 판단 결과, 해가 수렴되면 역문제 해석을 종료하고, 수렴되지 않으면 설계변수(ρi k)의 크기를 수정해 가면서(단계 S709) 해가 수렴될 때까지 상기 목적함수(Fk)와 매질 민감도(dF/dp)를 계산하는 과정을 반복 수행한다.
즉, 상기 단계 S708의 판단에서, 해가 수렴되지 않으면 설계변수(ρi k)의 크기를 수정하고(단계 S709), 수정된 설계변수(ρi k+1)를 바탕으로 상기 목적함수(Fk) 및 매질 민감도(dF/dp)를 다시 계산하여 해의 수렴 여부를 재판단한다. 이 판단에서 해가 수렴되면 역문제 해석을 종료하고, 수렴되지 않으면 수렴될 때까지 거듭 수정된 설계변수를 바탕으로 목적함수와 매질 민감도를 계산하는 과정을 반복한다.
이렇게 하여 마침내 역문제 해석 과정이 종료되면, 도출된 최종 설계변수의 크기로부터 상기 도 4의 단계 S405에서와 같이, 후처리부(170)에 의해 구하고자 하는 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산한다.
여기서, 이와 같이 도출된 최종 설계변수의 크기로부터 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하는 이유는, 다양한 수심에서 함정(200)으로부터 발생되는 자기장 신호의 크기를 알아야 하지만, 실제 함정(200)으로부터의 자기장 신호는 도 2와 같이 특정 수심(깊이)에 설치된 자기장 센서(111∼1XX)를 통해서만 획득할 수 있다. 따라서 이와 같은 측정 수단의 한계로 함정(200)으로부터 멀리 이격된 위치에서의 자기장 신호를 측정할 수는 없다. 그러므로, 전술한 바와 같이 역문제 해석 과정을 통해서 임의의 위치에서 측정된 자기장 신호의 크기를 바탕으로 함정(200)의 표면에 분포하는 자기장 신호원의 크기를 신뢰할만한 수준으로 구하게 되면, 이렇게 구한 신호원으로부터 구하고자하는 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산을 통해서 알 수 있게 되기 때문이다.
한편, 도 8은 도 7의 흐름도에서 자기장 신호의 크기를 계산하는 과정을 도식적으로 보여주는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, k번째 반복단계에서 구해진 설계변수의 크기(ρi k)를 바탕으로 각 측정지점과 동일한 각각의 지점에서의 자기장 신호의 크기(Bcj k)를 계산하게 된다.
도 9는 도 7의 흐름도에서의 가상소스 및 보조변수를 계산하는 과정을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 7에서 목적함수가 수렴되지 않으면 매질 민감도(dF/dp)를 계산하기 위해 각 측정지점에서 가상소스(Mj k)를 계산하고, 계산된 가상소스(Mj k)로부터 보조변수(λi k)를 계산하게 된다.
도 10은 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 따라 측정점에서의 측정된 자기장 신호와 역문제 해석을 통해 계산된 자기장 신호의 크기를 비교한 결과를 보여주는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 측정점에서의 측정된 자기장 신호(실선으로 표시 된 그래프)와 역문제 해석을 통해 계산된 자기장 신호(점선으로 표시된 그래프)가 매우 유사함을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 자기장 신호원 특성 분석방법은 측정된 자기장 신호를 바탕으로 매질 민감도를 이용한 역문제 해석방법으로 함정의 선체에 분포하는 자하의 크기를 결정하고, 그 해석 결과로부터 임의의 위치에서의 함정의 자기장 신호를 예측함으로써, 함정의 건조 전후의 자기장 신호 예측결과에 대한 높은 신뢰도를 얻을 수 있게 된다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치의 신호 측정부의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 따라 전처리부에 의해 함정의 선체 표면을 다수의 면요소로 분할하는 과정을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 사용된 역문제 해석 방법의 개념을 도식적으로 설명하는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 사용된 역문제 해석방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도.
도 8은 도 7의 흐름도에서의 자기장 신호의 크기를 계산하는 과정을 도식적으로 보여주는 도면.
도 9는 도 7의 흐름도에서의 가상소스 및 보조변수를 계산하는 과정을 도식적으로 보여주는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법에 따라 측정점에서의 측정된 자기장 신호와 역문제 해석을 통해 계산된 자기장 신호의 크기를 비교한 결과를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...신호 측정부 111∼1XX...자기장 센서
121...육상제어부 122...해상제어부
123...자료저장장치 130...전처리부
150...역문제 해석부 170...후처리부
200...함정 211...면요소
212...노드(node) 511∼5XX...각 측정점
510...측정된 자기장 신호의 크기 550...계산된 자기장 신호의 크기

Claims (12)

  1. 함정에서 발생되는 자기장 신호를 측정하기 위한 신호 측정부;
    함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하(magnetic charge)를 이산적인 형태로 분포시키기 위해 함정의 선체 표면을 다수의 면요소로 분할하고, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 측정 데이터를 역문제 해석을 위한 목표 데이터로 설정하는 전처리부;
    상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로 역문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드에 분포된 자하의 크기를 결정하는 역문제 해석부; 및
    상기 역문제 해석부에 의한 해석 결과를 바탕으로 도출된 선체 표면의 자하 분포로부터 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하는 후처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 측정부는 자기장 신호 감지를 위해 일정한 수심에 설치되는 다수의 자기장 센서와, 함정의 이동궤적을 측정하여 상기 자기장 센서와 함정 간의 상대적인 거리를 측정하기 위한 육상제어부 및 해상제어부와, 상기 자기장 센서와 육상제어부로부터 측정된 신호를 저장하기 위한 자료저장장치를 포함하는 것을 특징 으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 육상제어부 및 해상제어부는 DGPS(Differential GPS) 장비인 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 역문제 해석부는 역문제 해석 방법을 이용하여 상기 목표 데이터로부터 상기 전처리부에 의해 분할된 함정의 각 면요소의 노드에 이산적으로 분포된 자하의 크기를 구하고, 그 구해진 자하의 크기로부터 다시 측정 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하며, 계산된 결과와 목표 데이터인 측정 결과를 비교하여 그 차이가 목적함수의 수렴범위 내에 존재하면 역문제 해석을 종료하는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 목적함수는 신호 측정부의 각 측정점에서 측정된 함정 자기장 신호의 크기와 설계변수(자기장 신호의 소스가 되는 자하)를 바탕으로 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과인 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치.
  6. 신호 측정부, 전처리부, 역문제 해석부 및 후처리부를 포함하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석장치에 의한 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법으로서,
    a) 함정에서 발생하는 자기장 신호를 측정하기 위해, 일정한 수심에 자기장 신호의 측정을 위한 다수의 자기장 센서를 설치하는 단계;
    b) 함정이 정해진 궤적을 이동함에 따라 상기 자기장 센서와 함정의 상대적인 이격거리에 따른 센서의 감지신호를 상기 신호 측정부의 해상제어부 및 육상제어부에서 수신하여 자기장 신호를 측정하는 단계;
    c) 함정의 선체 표면에 자기장 신호원인 자하를 이산적인 형태로 분포시키기 위해 상기 전처리부에 의해 함정의 선체 표면을 다수의 면요소로 분할하는 단계;
    d) 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와, 상기 전처리부에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 기반으로, 상기 역문제 해석부에 의해 역문제 해석 방법을 이용하여 함정의 각 요소변의 노드(node)에 분포된 자하의 크기를 결정하는 단계; 및
    e) 상기 역문제 해석부에 의한 역문제 해석 결과를 바탕으로 도출된 선체 표면의 자하 분포로부터 상기 후처리부에 의해 함정의 임의의 위치에서의 자기장 신호의 크기를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 상기 역문제 해석방법은,
    자기장 신호의 크기를 계산하기 위한 설계변수 및 목적함수를 정의하는 단계;
    상기 설계변수 및 목적함수가 정의된 후, 상기 신호 측정부에 의해 측정된 함정의 자기장 신호와 상기 전처리부에 의해 다수의 면요소로 분할된 함정의 형상정보를 수집하는 단계;
    설계변수의 초기치(ρi 1)를 0으로 설정하고 k번째 반복단계에서 구해진 설계변수의 크기(ρi k)를 바탕으로 측정지점과 동일한 지점에서의 자기장 신호의 크기 (Bcj k)를 계산하는 단계;
    상기 계산된 자기장 신호의 크기(Bcj k)를 바탕으로 목적함수(Fk), 가상소스(Mj k) 및 보조변수(λi k)를 각각 계산하는 단계;
    상기 계산된 가상소스(Mj k)와 보조변수(λi k)를 바탕으로 매질 민감도(dF/dp)를 계산하는 단계;
    상기 계산된 매질 민감도(dF/dp)와 목적함수(Fk)의 크기로부터 해(解)의 수렴 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단결과, 해가 수렴되면 역문제 해석을 종료하고, 수렴되지 않으면 설 계변수(ρi k)의 크기를 수정해 가면서 해가 수렴될 때까지 상기 목적함수(Fk)와 매질 민감도(dF/dp)를 계산하는 과정을 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 설계변수는 자기장 신호의 소스가 되는 자하(ρ)이고, 상기 목적함수는 신호 측정부의 각 측정점에서 측정된 자기장 신호의 크기와 상기 설계변수를 바탕으로 계산된 자기장 신호 크기와의 차이의 자승을 모두 합산한 결과인 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 설계변수의 크기(ρi k)를 바탕으로 계산한 자기장 신호의 크기(Bcj k)는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법.
    Figure 112009060289985-PAT00006
    여기서, Bcj k는 n개의 측정지점 중 j번째 측정지점에서 계산된 자기장 신호의 크기, μ0는 공기중에서의 투자율, ri는 q개의 노드 중 i번째 노드로부터 측정 위치까지의 거리, ρi k는 q개의 요소변 노드 중 k번째 반복단계의 i번째 노드에서의 자하의 크기를 각각 나타낸다.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 목적함수(Fk)는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법.
    Figure 112009060289985-PAT00007
    여기서, Bmj는 n개의 측정지점 중 j번째 측정지점에서 측정된 자기장 신호의 크기, Bcj k는 k번째 반복 단계에서 j번째 측정지점에서 계산된 자기장 신호의 크기를 나타낸다.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 가상소스(Mj k) 및 보조변수(λi k)는 각각 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법.
    Figure 112009060289985-PAT00008
    Figure 112009060289985-PAT00009
    여기서, Bmj는 n개의 측정지점 중 j번째 측정지점에서 측정된 자기장 신호의 크기, Bcj k는 k번째 반복 단계에서 j번째 측정지점에서 계산된 자기장 신호의 크기, μ0는 공기중에서의 투자율, ri는 q개의 노드 중 i번째 노드로부터 측정 위치까지의 거리를 각각 나타낸다.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 매질 민감도(dF/dp)는 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 함정의 자기장 신호원 특성 분석방법.
    Figure 112009060289985-PAT00010
    여기서, dρi/dp는 자하의 미세변화율, λi k는 보조변수를 각각 나타낸다.
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