KR20150089797A - 음압을 이용한 발사율 계측 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음압을 이용한 발사율 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 발사율 계측 시스템은, IEPE(Integrated Electr-onics Piezo Electric) 방식의 폭압 센서의 동작을 위한 아날로그 회로 및 A/D 컨버터 기능을 가진 FPGA 모듈을 포함하며, 상기 폭압 센서를 통해 음압을 감지하는 음압 감지부; GPS 안테나와 연결되는 GPS 모듈을 이용하여 GPS 시각을 획득하는 시각 획득부; 및 상기 감지된 음압이 사전에 설정한 트리거 레벨 이상으로 계측되면, 획득한 신호를 분석하여 발사율을 산출하는 신호 처리부;를 포함한다.

Description

음압을 이용한 발사율 계측 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING THE RATE OF FIRE USING SOUND PRESSURE}

본 발명은 발사율을 계측할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 발사율을 계측하는 방법에는 LVDT(Linear Variable Differential Transducer)나 로드셀, 가속도 센서 등을 무기체계에 부착하여 포의 주퇴운동, 주퇴력, 또는 충격량으로부터 추정하는 방법과, 고속카메라나 도플러 레이더를 사용하여 탄 발사시 발생 되는 탄의 포구 이탈 시점을 분석하여 추정하는 방법이 존재한다.

이중 현재 가장 많이 쓰이는 방법으로는 높은 정확도 및 신뢰도를 가진 포구 속도용 도플러 레이더를 사용하는 것이다. 하지만 이 포구 속도용 도플러 레이더는 고가의 장비이기 때문에 보유할 수 있는 장비의 대수가 한정되어 있다. 이에 따라, 저가의 장비로 비슷한 성능을 내며 쉽게 발사율을 계측할 수 있는 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.

화포에서 발생하는 충격음은 추진가스의 팽창에 의한 소음, 초음속으로 비행하는 탄두의 소닉붐, 탄두가 표적에서 폭발할 때 발생하는 폭발음의 3가지로 분류될 수 있다.

이중 추진가스의 팽창에 의한 소음은 최소 160 dBpk 이상의 음압레벨을 가지며, 100㎲ 이하의 빠른 상승 시간을 갖는다. 이러한 충격음을 이용해 시간영역에서 발사 간의 시간을 계산하여 발사율을 추정할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 음압을 이용하여 발사율을 계측할 수 있는 발사율 계측 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 음압을 이용한 발사율 계측 시스템은, IEPE(Integrated Electr-onics Piezo Electric) 방식의 폭압 센서의 동작을 위한 아날로그 회로 및 A/D 컨버터 기능을 가진 FPGA 모듈을 포함하며, 상기 폭압 센서를 통해 음압을 감지하는 음압 감지부; GPS 안테나와 연결되는 GPS 모듈을 이용하여 GPS 시각을 획득하는 시각 획득부; 및 상기 감지된 음압이 사전에 설정한 트리거 레벨 이상으로 계측되면, 획득한 신호를 분석하여 발사율을 산출하는 신호 처리부;를 포함한다.

실시 예에 있어서, 상기 신호 처리부는, 상기 계측된 트리거 레벨 이상의 음압을 상기 획득한 GPS 시각과 동기화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 음압을 이용한 발사율 계측 방법은, IEPE(Integrated Electr-onics Piezo Electric) 방식의 폭압 센서를 통해 음압을 감지하는 단계; GPS 안테나와 연결되는 GPS 모듈을 이용하여 GPS 시각을 획득하는 단계; 및 상기 감지된 음압이 사전에 설정한 트리거 레벨 이상으로 계측되면, 획득한 신호를 분석하여 발사율을 산출하는 단계;를 포함한다.

실시 예에 있어서, 상기 발사율을 산출하는 단계는, 상기 계측된 트리거 레벨 이상의 음압을 상기 획득한 GPS 시각과 동기화하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 음압을 이용하기 때문에 비접촉 방식으로 설치가 용이하므로 계측 준비에 소요되는 시간 및 인력을 획기적으로 절감할 수 있으며, 저가로 구성할 수 있다. 또한, 발사율뿐만 아니라 음압의 크기도 계측할 수 있다.

본 발명은 국내에서 선례가 없는 독자적인 기술로, 군수 분야에 지속적으로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 음압을 이용한 발사율 계측 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1에 따른 계측 방법을 보여주는 순서도이다.
도 3은 발사율 계측 프로그램에서 수행되는 과정을 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 사용된 발사율 계측 프로그램의 세부 구성을 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 발사율 계측 시스템에 의해 획득한 결과의 실시 예를 보여주는 그래프이다.
도 6은 40 mm 구경 탄의 연발기능 시험의 실시 예를 보여주는 개념도이다.
도 7 내지 도 8은 MVRS-700으로 획득한 결과와 본 발명에 따른 발사율 계측 시스템으로 획득한 결과의 실시 예를 보여주는 개념도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명에 따른 음압을 이용한 발사율 계측 시스템은 물리량 계측 중 발사율을 계측하기 위한 장비에 대한 것으로 충격음을 측정하여 발사율을 추정한다. 또한 각 발당 dB단위의 음압을 계측하며 기존의 발사율 계측 시스템보다 준비 및 후처리 시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 개발되었다.

도 1은 본 발명에 따른 음압을 이용한 발사율 계측 시스템을 보여주는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 음압을 이용한 발사율 계측 시스템은 음압 감지부(100), 시각 획득부(200) 및 신호 처리부(300)를 포함한다.

구체적으로, 음압 감지부(100)는 음압을 측정할 수 있으며, IEPE(Integrated Electr-onics Piezo Electric) 방식의 폭압 센서(120)의 동작을 위한 아날로그 회로 및 A/D 컨버터 기능을 가진 FPGA 모듈(110)을 포함할 수 있다.

그리고, 시각 획득부(200)는 GPS 안테나(220)와 연결되는 GPS 모듈(210)을 이용하여 GPS 시각을 획득한다.

또한, 신호 처리부(300)는 모듈 제어부(310) 및 계측 프로그램(320)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 모듈 제어부(310) 및 계측 프로그램(320)은 음압 감지부(100) 및 시각 획득부(200)의 동작을 제어하는 것으로 이와 관련된 구체적인 사항은 후술한다.

도 2는 도 1에 따른 계측 방법을 보여주는 순서도이다.

도 2를 참조하면, 우선, 화포 포구 끝 단 측면에 폭압 센서(120)가 설치된 화포로부터 연속적으로 탄이 발사되는 단계(S210)가 진행된다.

이때 폭압 센서(120)는 포구와 같은 높이로 설치되어야 하며, 거리가 가까울수록 정확한 측정을 할 수 있으나 폭압 센서(120)의 성능을 고려하여 최단거리로 설정될 수 있다.

그리고 화포 부근에 설치된 폭압 센서(120)와 FPGA 모듈(110)을 연결 한 다음 GPS 안테나(220)와 GPS 모듈(210)을 연결하여 충격음 계측 시 GPS 시각과 동기화될 수 있도록 한다.

이어서 발사율 계측 시험 시 일정 트리거 레벨을 통해 충격음을 감지하는 단계(S220)가 진행된다. 그리고 신호 획득 및 분석을 통해 발사율과 발생 음압을 계산하는 단계(S230)가 진행된다.

구체적으로, 신호 획득시 잡음을 피하기 위하여 시스템 설정에서 Mask Time과 Hysteresis Level을 설정한다. Mask Time 설정은 예상 발사율을 통해 발사 시간 간격을 사전에 계산하여 사격 간 설정시간 동안 발생 된 트리거 레벨 이상의 신호가 폭압으로 인식되지 않도록 해준다. 그 결과, 획득 신호의 외부 잡음에 의해 발생 되는 발사율 계산 오류를 방지할 수 있다.

Hysteresis Level 설정에서는 이전에 충격음 데이터를 통해 충격음 외에 발생하는 잡음의 Level을 선별하여 설정해준다. 이때 일정한 Level 이상의 충격음을 계측 프로그램(320)을 통해 획득하여 발사율 및 dB 단위의 음압을 추정할 수 있다.

도 3은 발사율 계측 프로그램(320)에서 수행되는 과정을 보여주는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 먼저, 발사율 전용 계측 프로그램은 FPGA 모듈(110)과 GPS 모듈(210) 등의 장치의 연결 유무를 확인하기 위한 검색을 진행한다(S310).

이에 이상 유무를 판단하여(S320), 이상이 발견하지 않으면 초기화 작업(S330)을 진행한다. 장치 초기화를 완료하고 정상 작동이 확인되면(S340), 계측 시스템에 대한 세부 설정을 진행한다(S350).

구체적으로, 세부 설정 단계(S350)에서는 폴더 생성, 센서 감도, 샘플링 속도, 트리거 레벨, Mask Time, Hysteresis Level 등이 설정될 수 있다.

세부 설정을 완료한 뒤 계측을 시작하며(S360), 중간 중단 유무를 판단(S370)한 뒤 트리거 레벨 이상의 음압이 계측되면(S380) 신호를 저장하고 분석한다(S390).

도 4는 본 발명에 사용된 발사율 계측 프로그램(320)의 세부 구성을 보여주는 개념도이다.

도 4를 참조하면, 발사율 계측 프로그램(320)은 시스템 설정, 신호 획득 및 처리, 데이터 재생 및 분석으로 분류될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 발사율 계측 시스템에 의해 획득한 결과의 실시 예를 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 그래프를 통해 신호 입력 시간 및 신호 간격을 확인할 수 있다. 또한 획득한 신호의 개수가 5개임을 확인할 수 있다. 이와 관련된 구체적인 사항을 후술한다.

본 발명에 따른 발사율 계측 시스템의 성능을 평가하기 위한 실험을 진행하였다.

구체적으로, 발사 속도 계측 시스템의 성능 검증은 40 mm K236 복합기능탄 수락시험, 40 mm L/70 K216 고폭소이예광자폭탄 ASRP 시험과 병행하여 실시하였다. 연발기능 시험 시 두 장비에서 획득한 발사속도 데이터의 시간 간격 및 지속시간을 분석하여 개발 장비의 성능을 검증하고자 한다.

도 6은 40 mm 구경 탄의 연발기능 시험의 실시 예를 보여주는 개념도이다.

도 6을 참조하면, 음압 센서(610), MVRS-700(620) 및 K40 무장 시스템(630)이 설치되어 있음을 확인할 수 있다.

MVRS-700의 안테나는 setback= 2.3m, offset= 0.6m, height= 0.2m, 음압 센서는 setback= 0m, offset= 2.3m, height= -0.2m로 설치하였다.

도 7 내지 도 8은 MVRS-700으로 획득한 결과와 본 발명에 따른 발사율 계측 시스템으로 획득한 결과의 실시 예를 보여주는 개념도이다.

앞서 설명한 바와 같이, 실험은 크게 두 가지 방식으로 진행하였다. 구체적으로, 5연발 사격을 실시한 40 mm K236 연발기능 시험(도 7) 및 8연발 사격을 실시한 40 mm K216 연발기능 시험(도 8)을 각각 MVRS-700에 의한 시험과 비교하였다.

도 7a는 MVRS-700으로 획득한 도플러 신호(5연발)의 VTI(velocity time intensity) plot을 보여주는 개념도이다.

도 7b는 본 발명에 따른 발사율 계측 시스템으로 획득한 충격파 신호(5연발)를 보여주는 개념도이다.

도 7c는 40 mm K236 연발기능 시험 계측 결과를 비교하여 보여주는 개념도이다.

도 7c를 참조하면, 계측 시스템으로부터 획득한 신호의 개수는 5개이고 지속 시간이 836.72 ms이므로, 발사 속도는 286.83 rpm이 된다. 이는 기존의 계측 시스템으로 측정한 발사 속도보다 0.02 rpm이 낮으며, 상대 오차는 0.006972%가 된다.

도 8a는 MVRS-700으로 획득한 도플러 신호(8연발)의 VTI(velocity time intensity) plot을 보여주는 개념도이다.

도 8b는 본 발명에 따른 발사율 계측 시스템으로 획득한 충격파 신호(8연발)를 보여주는 개념도이다.

도 8c는 40 mm K216 연발기능 시험 계측 결과를 비교하여 보여주는 개념도이다.

도 8c를 참조하면, 기존의 계측 시스템으로 측정한 발사 속도보다 0.01 rpm이 낮으며, 상대 오차는 0.003472%가 된다.

결과적으로, 본 발명에 의하면, 음압을 이용하기 때문에 비접촉 방식으로 설치가 용이하므로 계측 준비에 소요되는 시간 및 인력을 획기적으로 절감할 수 있으며, 저가로 구성할 수 있다. 또한, 발사율뿐만 아니라 음압의 크기도 계측할 수 있다.

상기와 같이 음압을 이용한 발사율 계측 시스템 및 계측 방법은 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (4)

1. IEPE(Integrated Electr-onics Piezo Electric) 방식의 폭압 센서의 동작을 위한 아날로그 회로 및 A/D 컨버터 기능을 가진 FPGA 모듈을 포함하며, 상기 폭압 센서를 통해 음압을 감지하는 음압 감지부;
   GPS 안테나와 연결되는 GPS 모듈을 이용하여 GPS 시각을 획득하는 시각 획득부; 및
   상기 감지된 음압이 사전에 설정한 트리거 레벨 이상으로 계측되면, 획득한 신호를 분석하여 발사율을 산출하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음압을 이용한 발사율 계측 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 신호 처리부는,
   상기 계측된 트리거 레벨 이상의 음압을 상기 획득한 GPS 시각과 동기화하는 것을 특징으로 하는 음압을 이용한 발사율 계측 시스템.
3. IEPE(Integrated Electr-onics Piezo Electric) 방식의 폭압 센서를 통해 음압을 감지하는 단계;
   GPS 안테나와 연결되는 GPS 모듈을 이용하여 GPS 시각을 획득하는 단계; 및
   상기 감지된 음압이 사전에 설정한 트리거 레벨 이상으로 계측되면, 획득한 신호를 분석하여 발사율을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음압을 이용한 발사율 계측 방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 발사율을 산출하는 단계는,
   상기 계측된 트리거 레벨 이상의 음압을 상기 획득한 GPS 시각과 동기화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음압을 이용한 발사율 계측 방법.

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