KR20180017998A

KR20180017998A - 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20180017998A
Application number: KR1020160102820A
Authority: KR
Inventors: 이현석
Original assignee: 한국항공우주산업 주식회사
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-21
Also published as: KR101876393B1

Abstract

항공기의 레이더 단면적 (Radar Cross Section, RCS) 에 대한 수치 해석 방법이 제공된다. 방법은, 3 차원의 표적에서 발생되는 전계 강도 (Electric Field Strength) 를 계산하는 단계로서, 상기 전계 강도는 상기 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 및 상기 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계를 기반으로 계산되는, 상기 전계 강도를 계산하는 단계와, 상기 계산된 전계 강도를 기반으로 상기 표적의 레이더 단면적을 도출하는 단계를 포함한다.

Description

항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법 및 장치{AN APPARATUS FOR NUMERICAL ANALYSIS ABOUT RADAR CROSS SECTION OF AIRCRAFT AND METHOD THEREOF}

본 발명은 수치 해석에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법 및 장치에 관한 것이다.

근래의 항공기에는 레이더 탐지에 대한 은폐 기술이 적용될 수 있다. 스텔스 설계 요인에는 기체 형상, 엔진 블레이드의 난반사 방지, 캐노피 코팅 등 다양한 기술이 복합적으로 작용하고 있으나 기본적으로 기체 형상에 따른 레이더 단면적 (Radar Cross Section, RCS) 추출 및 분석이 우선적으로 고려되어야 한다.

이러한 레이더 단면적의 추출 및 분석에 있어 전자파 수치해석 기법이 사용될 수 있다. 전자파 수치해석 기법은 크게 고주파 해석 기법과 저주파 해석 기법으로 나눌 수 있다. 물체의 크기와 사용 주파수의 파장을 비교하여 물체의 크기가 상대적으로 클 경우에는 고주파 해석 기법을 적용하고, 상대적으로 작을 경우에는 저주파 해석 기법을 주로 적용한다.

RCS 분석에 이용되는 고주파 해석 기법 중 가장 많이 쓰이는 방법은 물리 광학법 (Physical Optics, PO)이다. PO 는 계산 시간이 가장 빠른 편에 속할 뿐 아니라, 매우 높은 정확성을 보인다. 그러나 이 방법은 표면 산란을 계산하는 기법으로, 모서리 등에서 발생하는 회절에 의한 산란파는 계산할 수 없는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 제 2008-0112939 호 ("레이더횡단면 특성을 이용한 비상 조난위치 표시 장치", 한국해양연구원)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 항공기 형상 설계의 기본이 되는 RCS 분석 및 예측 기법과 RCS 환경 분석을 제공함으로써 RCS 유발요인을 분석하여, 최적화된 항공기 설계 모형을 도출할 수 있는 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 뿐만 아니라 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계 역시 계산할 수 있으며, 표적 형상 중에서 RCS 를 크게 유발하는 부분을 추출할 수 있는 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적 (Radar Cross Section, RCS) 에 대한 수치 해석 방법은, 3 차원의 표적에서 발생되는 전계 강도 (Electric Field Strength) 를 계산하는 단계로서, 상기 전계 강도는 상기 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 및 상기 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계를 기반으로 계산되는, 상기 전계 강도를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 전계 강도를 기반으로 상기 표적의 레이더 단면적을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 회절 전계는 입사각, 산란각 및 입사 평면이 상기 회절 전계가 발생하는 모서리와 이루는 각 β 에 기초하여 계산될 수 있다.

상기 회절 전계는 입사파의 진행방향 벡터, 산란파의 진행방향 벡터 및 상기 모서리가 이루는 벡터에 더 기초하여 계산될 수 있다.

상기 회절 전계는 회절 물리 이론 (Physical Theory of Diffraction, PTD) 에 기초하여 계산될 수 있다.

상기 표적은 복수의 패시트 (facet) 와 복수의 모서리로 구성되고, 상기 방법은 상기 복수의 패시트들 중 적어도 하나를 RCS 유발 요인으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 결정하는 단계는 가장 많은 반사 횟수를 갖는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정할 수 있다.

상기 표적의 레이더 단면적을 도출하는 단계는 상기 복수의 패시트 각각의 레이더 단면적을 도출하는 단계를 포함하며, 상기 결정하는 단계는 가장 큰 레이더 단면적을 가지는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적 (Radar Cross Section, RCS) 에 대한 수치 해석 장치는, 3 차원의 표적에서 발생되는 전계 강도 (Electric Field Strength) 를 계산하는 전계 강도 계산부로서, 상기 전계 강도는 상기 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 및 상기 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계를 기반으로 계산되는, 상기 전계 강도 계산부; 및 상기 계산된 전계 강도를 기반으로 상기 표적의 레이더 단면적을 도출하는 RCS 도출부를 포함할 수 있다.

상기 표적은 복수의 패시트 (facet) 와 복수의 모서리로 구성되고, 상기 장치는 상기 복수의 패시트들 중 적어도 하나를 RCS 유발 요인으로 결정하는 RCS 유발 요인 결정부를 더 포함할 수 있다.

상기 RCS 유발 요인 결정부는 가장 많은 반사 횟수를 갖는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정할 수 있다.

상기 RCS 도출부는 상기 복수의 패시트 각각의 레이더 단면적을 도출하고, 상기 RCS 유발 요인 결정부는 가장 큰 레이더 단면적을 가지는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정할 수 있다.

상기 장치는 입력부 및 표시부 더 포함하고, 상기 표시부는 상기 입력부를 통한 시점 설정 입력에 응답하여 설정된 시점에서의 상기 표적, 상기 표적에 포함된 패시트들 및 상기 패시트들 각각의 반사 횟수를 표시할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법 및 장치에 따르면, 스텔스 형상 설계에 기본이 되는 RCS (radar cross section) 분석 및 스텔스기에 적합한 RCS 예측 기법과 RCS 환경 분석을 제공함으로써 예측 기법을 기반으로 RCS 유발요인을 분석하여, 최적화된 스텔스기 설계 모형을 도출할 수 있도록 할 수 있는 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법 및 장치에 따르면, 수치 해석의 대상이 되는 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 뿐만 아니라, 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계의 영향까지도 고려하여 전계 강도를 계산할 수 있어, 보다 빠르고 정확하게 표적의 레이더 단면적을 계산할 수 있다.

따라서, 표적의 형상 중에서 RCS 를 크게 유발하는 부분을 추출하여 RCS 유발 요인의 분석을 용이하게 하는 것이 가능하다. 또한, 분석된 정보를 사용자가 보다 편리하게 확인할 수 있도록 GUI 를 개선하여 도출된 RCS 및 유발 요인을 바로 확인하고 활용할 수 있도록 한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법의 흐름도이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3 은 전자파 산란 해석 기법을 나타내는 도면이다.
도 4 는 물리 광학법의 표면 등가 원리를 나타내는 도면이다.
도 5 는 기하 광학법의 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 6 은 SBR 기법에서 2차 반사의 광선 진행 경로 계산에 대한 개념이다.
도 7 은 2차원 모서리 회절을 나타내는 도면이다.
도 8 은 3차원 모서리 회절을 나타내는 도면이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수치 해석 프로그램의 GUI 주 화면의 예시도이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수치 해석 프로그램의 그래프 비교 기능의 예시도이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수치 해석 결과 표시 화면의 예시도이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 관찰각에 대한 각 면의 반사 횟수를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

전자기 수치 해석 기법

도 3 은 전자파 산란 해석 기법을 나타내는 도면이다. 전자파 수치해석 기법은 크게 고주파 해석 기법과 저주파 해석 기법으로 나눌 수 있다. 물체의 크기와 사용 주파수의 파장을 비교하여 물체의 크기가 상대적으로 클 경우에는 고주파 해석 기법을 적용하고, 상대적으로 작을 경우에는 저주파 해석 기법을 주로 적용한다.

고주파 해석 기법은 광선 (Ray) 기반 기법과 전류 (Current) 기반 기법으로 나눌 수 있다. 광선 기반 기법에는 기하광학 (Geometrical Optics, GO) 이 기본이 되며, 광선에 대한 회절 현상을 다루는 기하 회절 이론 (Geometrical Theory of Diffraction, GTD) 와 균일 회절 이론 (Uniform Theory of Diffraction, UTD) 가 있다. 전류 기반 기법에는 물리광학 (Physical Optics, PO) 기법이 기본이 되며, 물리적 회절 현상을 표현하는 물리 회절 이론 (Physical Theory of Diffraction, PTD) 과 등가 전류 기법 (Method of Equivalent Current, MEC) 등이 있다. 고주파 해석 기법은 계산 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있으나, 정확한 해가 아니라 근사치를 구하는 것이며 적용 가능한 구조가 제한된다는 단점이 있다.

이와는 대조적으로, 저주파 해석 기법으로는 모멘트법 (Method of Moments, MoM), 유한 차분 시간 영역법 (Finite Difference Time Domain Method, FDTD) 등이 있다. 유한 차분 시간 영역법은 맥스웰 (Maxwell) 방정식을 시변계에 대한 유한 차분 방정식 (finite difference equation) 으로 표현하여 분석하는 것이라 할 수 있다. 모멘트 법은 분석하고자 하는 물체의 표면을 국부적으로 와이어의 조각이나 평면의 조각으로 나눈 후, 가상의 전류를 유기하고 도체나 유전체의 전계, 자계에 대한 경계조건을 만족하도록 하는 방법이다. 저주파 해석 기법은 모든 구조에 대하여 적용이 가능하고 정확한 해를 구할 수 있으나 물체의 크기가 사용 주파수의 파장에 비해 커질수록 계산 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법

본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법에서는 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계를 계산하기 위해, 고주파 해석기법을 이용한 표면 산란 해석을 보완하는 회절 산란 해석 알고리즘이 적용될 수 있다. 회절 산란은 회절 물리 이론 (Physical Theory of Diffraction) 을 이용한 2차원의 완전 (exact) 계산식을 이용하여 3차원 구조를 해석할 수 있는 알고리즘에 의해 도출될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법에서는 보다 빠르고 정확하게 표적 표면의 산란 RCS 를 계산하기 위해, 기하 광학법 (Geometric Optics, GO) 과 물리 광학법 (Physical Optics, PO) 를 결합한 SBR (Shooting and Bouncing Rays) 기법을 이용하여, 항공기의 표면 산란 RCS 를 계산하는 알고리즘이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 RCS 유발 요인을 분석하는 알고리즘이 적용될 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법의 흐름도이다. 이하, 도 1 을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적 (Radar Cross Section, RCS) 에 대한 수치 해석 방법은, 먼저 3차원의 표적에서 발생되는 전계 강도 (Electric Field Strength) 를 계산한다 (S110). 여기서, 전계 강도는 수치 해석의 대상이 되는 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 뿐만 아니라, 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계의 영향 역시 고려하여 계산될 수 있다. 이후, 상기 계산된 전계 강도를 기반으로 수치 해석의 대상이 되는 3차원 표적의 레이더 단면적 (RCS) 를 도출할 수 있다 (S120).

먼저, 수치 해석의 대상이 되는 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도를 계산하기 위해서는, 예를 들어 물리 광학법 (PO) 이 사용될 수 있다. 도 4 는 물리 광학법의 표면 등가 원리를 나타내는 도면이다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 물리 광학법은 입사 전계 (Electric Field) 와 자계 (Magnetic Field), 산란 전계와 표면 전류 간의 등가 원리를 이용하여, 물체 표면에 입사되는 전계에 대한 산란 전계를 계산할 수 있다.

한편, 도 5 는 기하 광학법의 알고리즘을 나타내는 도면이다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 기하 광학법은 주파수가 매우 높은 전자기파의 경우 빛과 같은 특성을 갖는 것을 이용하여, 모든 방향으로 작용하는 광선 (ray) 을 하나하나 추적하여 전자기파의 반사, 투과 현상을 계산한다. 기하 광학법을 이용한 해석에서는 우선 송신점을 설정한다. 송신점은 여러 점을 생각할 수 있으나, 레이돔 구조를 해석할 때에는 안테나의 중심에 해당하는 하나의 송신점 만을 설정한다. 광원을 정한 후 해석의 대상의 모델링 데이터를 입력 받는다. 모델링 데이터에 기록된, 대상을 이루는 점과 면의 정보를 받으면, 정해진 송신점에서 모든 방향으로 광선을 생성한다. 생성된 광선을 추적하며 모델링 데이터와 비교, 반사와 투과를 계산한다. 이 때 반사된 광선은 또다시 다른 면에서 반사, 투과가 일어나므로 계속해서 추적한다. 미리 설정된 반사 횟수에 해당하는 반사가 이루어지고 나면 그 광선에 대한 추적을 종료한다. 한 광선에 대한 추적이 끝나면 다른 광선을 추적하기 시작하며, 같은 과정을 반복한다. 송신점에서의 모든 광선에 대한 추적이 끝나면 수신점에 대한, 각 광선에 의한 광선의 전기장을 모두 더하고 해석을 종료한다.

일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수치 해석의 대상이 되는 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도를 계산하기 위하여 SBR (Shooting and Bouncing Rays) 기법을 사용할 수 있다. SBR 기법은 상기의 기하 광학법을 사용하여 광선을 추적한 후, 물리 광학법을 통해 해당 표적 표면에서의 산란 전계를 계산할 수 있다.

보다 구체적으로, 물리 광학법은 매우 빠르고 비교적 정확한 해를 얻을 수 있기 때문에 고주파 해석 기법 중 가장 널리 쓰이는 방법 중 하나이다. 그러나 이 방법은 다중 산란을 계산할 수 없고, 은면 (隱面) 의 구분이 불가능하기 때문에 복잡한 입체적 물체에 대해 정확한 RCS 해석이 어렵다. 이러한 물리 광학법을 기하 광학법을 통해 보완한 해석 기법이 SBR 기법이다.

SBR 기법은 원거리 필드의 플레인 웨이브 조건에 대해 평행한 여러 광선 다발 (ray tubes) 을 일정한 간격으로 발생시킨다. 해가 수렴하기 위해서는 이러한 광선 다발 간격이 해석 주파수 파장의 1/10 보다 작아야 한다. 즉 한 광선 다발의 넓이는 0.1λ×0.1λ 이하가 되어야 정확한 RCS 계산을 할 수 있다. 이 때 광선 다발의 추적은 각 광선 다발의 중심점을 찾는 방법으로 수행될 수 있다.

물리 광학법을 이용하여 다중 산란을 계산하기 위해서는, 물리 광학법의 위상 적분이 이루어지는 면의 정보에 광선의 진행 경로가 반영되어야 한다. 광선 진행 경로 정보는 2차 반사의 경우를 통해 쉽게 설명할 수 있다.

도 6 은 SBR 기법에서 2차 반사의 광선 진행 경로 계산에 대한 개념이다. 도 6의 두 면 A와 B에서 발생하는 2차 반사는 두 면은 산란점 (observation point) 과 입사점 (source point) 의 위치에서 보이고, 각 면의 법선 벡터는 서로 직교 (orthogonal) 하며, 하기의 수학식 1을 만족할 때 성립한다.

기하 광학법을 이용한 2차 반사의 경우에서, 각 δ 는 0이 된다. 이 각은 면 B 의 물리 광학법을 통해 계산된 전계가 기하 광학법의 광선 진행 방향만을 따르지는 않는다는 점을 고려하여 설정된다. 각 면의 산란 전계는 물리 광학법을 통해 계산할 수 있는데, 이 때 각 면에서 발생하는 반사 전계는 관측점을 향해 진행한다. 따라서 두 2차 반사 면은 두 종류의 산란 전계를 만들며, 두 개의 반사 전계는 서로에게 영향을 주게 된다. 도 6은 입사점에서 출발한 광선이 두 면 A와 B를 맞고 관측점으로 향하는 두 가지의 경로를 보여주고 있다. 입사 전계가 입사점으로부터 출발하여 면 A에 맞을 때 반사 전계가 발생한다. 이 반사 전계는 면 B로의 입사 전계와 같다. 면 B에서의 반사 전계는 면 A와 마찬가지로 기하 광학법에 따라 반사 전계를 발생시킨다.

물리 광학법을 통한 산란 전계를 보다 편리하게 계산하기 위해, 위상 적분을 위한 가상면 (virtual facet) 개념을 도입할 수 있다. 가상면은 (입사점) → (첫 번째 반사면) → (두번째 반사면) → (관측점) 으로 이어지는 광선 진행 경로를 포함하며, 이 경로는 (입사점) → (가상면) → (관측점) 의 경로로 대체할 수 있다. 두 반사 면 사이의 광선 진행 경로는 L1 + △1, L2 + △2와 같다. 이 때 면 A와 B는 가상면 A'과 B'로 바꿀 수 있으며, 이 가상면들은 추가 경로 (L1 + △1)/2와 (L2 + △2)/2를 포함해야 한다. 이러한 과정을 통해 2차, 혹은 3차 이상의 반사 경로를 1차 반사만으로 발생하는 산란 전계처럼 계산할 수 있다. SBR 기법은 이러한 과정을 통해 추가적인 수치해석 적분 없이 RCS 해석을 매우 빠르게 수행할 수 있다.

일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법은 수치 해석의 대상이 되는 표적에 포함된 모서리에서 발생하는 회절 전계를 계산하기 위하여 회절 물리 이론 (Physical Theory of Diffraction, PTD) 을 이용할 수 있다. 전술한 바와 같이, RCS 분석에 이용되는 고주파 해석 기법 중 가장 많이 쓰이는PO 는 표면 산란을 계산하는 기법으로, 모서리 등에서 발생하는 회절에 의한 산란파는 계산할 수 없다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이를 보완하기 위해 회절 물리 이론 (Physical Theory of Diffraction) 이 적용될 수 있다. 2차원 구조에 한해 회절 산란을 정확하게 계산할 수 있는 완전 (exact) 계산식이 존재하며, 종래 연구 제안된 PTD 는 2차원 구조에 대한 분석적 (analytic) 계산 알고리즘을 기반으로 한다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 2차원 구조에 대한 알고리즘을 보완하여 실제 구조를 해석하는데 필요한 3차원 PTD 알고리즘을 제공할 수 있다.

3차원 PTD는 2차원 PTD를 통해 계산한 회절 계수와 모서리 표면 전류를 등가 전류법 (Method of Equivalent Current, MEC) 에 적용하여 계산할 수 있다. 즉, 2차원 PTD에서는 무한 길이 모서리 구조를 가정하지만 실제 3차원 구조에서는 무한 길이가 아니므로 그 가정을 사용할 수 없기 때문에, MEC를 이용하여 실제 구조로 인한 영향을 보완할 수 있다.

먼저, 2차원 PTD 에 관하여 살펴보면, 2차원 모서리 구조에 대해서는 회절을 계산하는 완전 (exact) 한 수식이 존재한다. 도 7 과 같은 무한 모서리 구조에서 회절로 인한 전계 (electric field) 와 자계(magnetic field) 는 다음과 같다.

이 때의 회절 계수 f와 g는 다음과 같이 계산된다.

여기서 X와 Y, X1, X2, Y1, Y2는 다음과 같이 계산할 수 있다.

n 은 정규화된 외부 모서리 각도이다.

즉 입사각(

)과 산란각(

)의 변화에 따라 f 와 g 의 값이 달라지며, 이를 이용하여 모노스택틱 필드 (monostatic field) 뿐 아니라 바이스택틱 필드 (bistatic field) 의 값도 계산할 수 있다.

다만, 상기 산출된 전계 또는 자계는 무한 길이를 갖는 모서리 구조를 2차원적 시각에서 정확한 수식에 의해 계산된 회절 전계이다. 그러나 3차원 구조에 의한 회절은 조금 다른 방법으로 접근해야 한다. 3차원 구조의 회절은 MEC 방법에 이용되는 전류를 2차원 PTD에서 계산된 전계 값을 통해 계산하고, 이 전류 값을 이용하여 산란 전계를 계산하는 방법이 적용될 수 있다.

도 8 은 3차원 모서리 회절을 나타내는 도면이다. 도 8 에서 볼 수 있듯이, 3차원 구조에서는 측면에서 바라보는 입사각과 산란각 뿐 아니라 입사 평면 (입사파와 산란파가 이루는 평면) 이 회절이 발생하는 모서리와 이루는 각 β 가 필요하다. 이 때의 전계는 다음과 같다.

이 때

은 원거리 필드 스칼라 그린 함수 (far-field scalar Green function) 이다. MEC법에 의한 등가 전류는 다음과 같이 계산된다.

여기서 X와 Y는 수학식 6 에 의해 계산된 값이다. 수학식 10 과 수학식 11 또한 2차원 구조에서의 전류 값이므로, 이를 3차원 구조에서의 전류로 바꾸어야 한다. 이를 위해

를 적용할 수 있다.

수학식 12와 수학식 13 의 전류에 2차원 PTD의 회절 계수를 적용함으로써 다음과 같은 3차원 구조에서의 전류 값을 얻을 수 있다.

수학식 14 와 수학식 15 의 전류를 수학식 9 에 대입하여 3차원 모서리에 의한 산란 전계를 계산할 수 있다.

즉, 3차원 모서리 구조에서의 회절 전계는 입사파와 산란파의 진행방향 벡터와, 입사각, 산란각 및 입사 평면과 회절이 발생하는 모서리가 이루는 각 β, 그리고 모서리가 이루는 벡터를 기반으로 계산될 수 있다. 즉, 일 측면에 따르면, 상기 회절 전계는 입사각, 산란각 및 입사 평면이 상기 회절 전계가 발생하는 모서리와 이루는 각 β 에 기초하여 계산될 수 있고, 일 측면에 따르면 상기 회절 전계는 입사파의 진행방향 벡터, 산란파의 진행방향 벡터 및 상기 모서리가 이루는 벡터에 더 기초하여 계산될 수 있다.

일 측면에 따라 수치 해석의 대상이 되는 표적은 복수의 패시트 (facet) 와 복수의 모서리로 구성될 수 있고, 다시 도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법은 복수의 패시트들 중 적어도 하나를 RCS 유발 요인으로 결정하는 단계(S130) 를 더 포함할 수 있다. RCS 유발 요인으로 결정함에 있어서, 일 측면에 따르면, 가장 많은 반사 횟수를 갖는 패시트를 RCS 유발 요인으로 결정할 수도 있고, 다른 측면에 따르면, 표적의 레이더 단면적을 도출함에 있어서 복수의 패시트 각각의 레이더 단면적을 전부 도출하고, 가장 큰 레이더 단면적을 가지는 패시트를 RCS 유발 요인으로 결정할 수도 있다.

임의의 물체에서 RCS 유발 위치를 추정하는 것은 매우 어려운 일일 뿐 아니라, 입사각과 해석 주파수에 따라 RCS가 변함으로 정확한 추정이 불가능하다. 하지만 항공기 설계에서 RCS 유발 요인 분석은 매우 중요하므로, 불완전한 조건에서라도 이를 분석할 수 있는 도구가 필요하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 회절 물리 이론을 통한 회절 산란 RCS, SBR을 통한 표면 산란 RCS를 분석하는 것이 수행될 수 있다. 하지만 대부분의 표적에서 회절로 인한 산란은 표면 산란에 비해 크기가 작기 때문에, 주로 표면 산란이 RCS가 커지는 주요한 원인이 될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면 SBR 을 통해 시뮬레이션을 수행하는 과정에서 큰 RCS를 유발하는 요인을 분석하도록 구성될 수 있다.

SBR 해석 과정의 RCS 유발 요인 분석에서는 광선이 많이 입사하는 면을 찾는 방법이 사용될 수 있다. 즉, 처음에 광선 다발이 부딪히는 횟수 뿐만 아니라, 2차 이상의 다중 반사 과정에서 발생하는 교차 (intersection) 를 모두 체크하여 이를 추출할 수 있다. 해석할 표적이 너무 많은 면으로 구성되어 있는 경우, 반사가 일어나는 횟수를 모든 면에 대해서 체크하고 이를 도출하는 것은 매우 비효율적인 일이 될 것이기 때문에 가장 많은 횟수를 갖는 면을 사용자가 원하는 개수만큼 도출하여 제공하도록 할 수 있다. 또한 모든 해석 주파수와 입사각이 바뀔 때마다 RCS 유발 요인이 변하기 때문에, 각 주파수와 입사각에 따라 사용자가 정하는 개수만큼 분석하여 출력할 수도 있다.

도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수치 해석 결과 표시 화면의 예시도이고, 도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 관찰 각에 대한 각 면의 반사 횟수를 나타내는 그래프이다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 소정의 주파수, 방위각 및 고각에서 복수의 패시트 (facet) 와 복수의 모서리로 구성된 단순 선박 기본 구조 모델에 대해서 해석하였을 때, 도 12 와 같이 관찰 각에 따른 각각의 패시트의 반사 횟수를 체크하여 표시함으로써, RCS 유발 요인에 대한 정보를 획득할 수 있다.

항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치

도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치 (200) 는 프로세서 (210), 입력부 (220) 및 표시부 (230) 를 포함할 수 있다. 프로세서 (200) 는 전계 강도 계산부 (211), RCS 도출부 (213) 및 RCS 유발 요인 결정부 (215) 를 포함할 수 있다. 한편, 예시적으로 하나의 프로세서가 전계 강도 계산부 (211), RCS 도출부 (213) 및 RCS 유발 요인 결정부 (215) 를 포함하는 것으로 예시되었으나, 상기와 같은 전계 강도 계산부 (211), RCS 도출부 (213) 및 RCS 유발 요인 결정부 (215) 는 각각 별개의 프로세서로서 구현될 수도 있고, 하나의 프로세서 내에서 독립된 모듈로서 구현될 수도 있으며, 소정의 통합된 구성으로서 존재할 수도 있다.

전계 강도 계산부 (211) 는 3 차원의 표적에서 발생되는 전계 강도 (Electric Field Strength) 를 계산할 수 있으며, 여기서 전계 강도는 수치 해석의 대상이 되는 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 뿐만 아니라 상기 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계 역시 포함될 수 있다. RCS 도출부 (213) 는 계산된 전계 강도를 기반으로 수치 해석의 대상이 되는 표적의 레이더 단면적을 도출할 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 회절 전계는 입사각, 산란각 및 입사 평면이 상기 회절 전계가 발생하는 모서리와 이루는 각 β 에 기초하여 계산될 수 있고, 회절 전계는 입사파의 진행방향 벡터, 산란파의 진행방향 벡터 및 상기 모서리가 이루는 벡터에 더 기초하여 계산될 수도 있다.

수치 해석의 대상이 되는 표적은 복수의 패시트 (facet) 와 복수의 모서리로 구성될 수 있으며, RCS 유발 요인 결정부 (215) 는 복수의 패시트들 중 적어도 하나를 RCS 유발 요인으로 결정할 수 있다. RCS 유발 요인 결정부 (215) 는 가장 많은 반사 횟수를 갖는 패시트를 RCS 유발 요인으로 결정하거나, 가장 큰 레이더 단면적을 가지는 패시트를 RCS 유발 요인으로 결정할 수도 있다.

한편, 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치는 입력부 (220) 및 표시부(230) 를 더 포함할 수 있다. 관련하여, 도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수치 해석 프로그램의 GUI 주 화면의 예시도이고, 도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수치 해석 프로그램의 그래프 비교 기능의 예시도이다. 표시부 (230) 가 도 9 와 같이 수치 해석을 위한 그래픽 사용자 인터페이스를 표시하도록 구성될 수 있으며, 도 11 에 나타난 바와 같이 표시부 (230) 는 입력부 (220) 를 통한 시점 설정 입력에 응답하여 설정된 시점에서의 표적, 상기 표적에 포함된 패시트들 및 상기 패시트들 각각의 반사 횟수를 표시할 수 있다. 또한, 입력부 (220) 를 통한 비교 명령 입력에 응답하여, 도 10 에 도시된 바와 같이 비교 그래프를 출력하도록 구성될 수도 있다.

이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

항공기의 레이더 단면적 (Radar Cross Section, RCS) 에 대한 수치 해석 방법에 있어서,
3 차원의 표적에서 발생되는 전계 강도 (Electric Field Strength) 를 계산하는 단계로서, 상기 전계 강도는 상기 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 및 상기 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계를 기반으로 계산되는, 상기 전계 강도를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 전계 강도를 기반으로 상기 표적의 레이더 단면적을 도출하는 단계를 포함하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 회절 전계는 입사각, 산란각 및 입사 평면이 상기 회절 전계가 발생하는 모서리와 이루는 각 β 에 기초하여 계산되는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 회절 전계는 입사파의 진행방향 벡터, 산란파의 진행방향 벡터 및 상기 모서리가 이루는 벡터에 더 기초하여 계산되는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 회절 전계는 회절 물리 이론 (Physical Theory of Diffraction, PTD) 에 기초하여 계산되는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 표적은 복수의 패시트 (facet) 와 복수의 모서리로 구성되고,
상기 방법은 상기 복수의 패시트들 중 적어도 하나를 RCS 유발 요인으로 결정하는 단계를 더 포함하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 결정하는 단계는 가장 많은 반사 횟수를 갖는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 표적의 레이더 단면적을 도출하는 단계는 상기 복수의 패시트 각각의 레이더 단면적을 도출하는 단계를 포함하며,
상기 결정하는 단계는 가장 큰 레이더 단면적을 가지는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 방법.
항공기의 레이더 단면적 (Radar Cross Section, RCS) 에 대한 수치 해석 장치에 있어서,
3 차원의 표적에서 발생되는 전계 강도 (Electric Field Strength) 를 계산하는 전계 강도 계산부로서, 상기 전계 강도는 상기 표적의 표면에서 산란되는 전계 강도 및 상기 표적의 모서리에서 발생하는 회절 전계를 기반으로 계산되는, 상기 전계 강도 계산부; 및
상기 계산된 전계 강도를 기반으로 상기 표적의 레이더 단면적을 도출하는 RCS 도출부를 포함하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 회절 전계는 입사각, 산란각 및 입사 평면이 상기 회절 전계가 발생하는 모서리와 이루는 각 β 에 기초하여 계산되는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 회절 전계는 입사파의 진행방향 벡터, 산란파의 진행방향 벡터 및 상기 모서리가 이루는 벡터에 더 기초하여 계산되는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 회절 전계는 회절 물리 이론 (Physical Theory of Diffraction, PTD) 에 기초하여 계산되는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 표적은 복수의 패시트 (facet) 와 복수의 모서리로 구성되고,
상기 장치는 상기 복수의 패시트들 중 적어도 하나를 RCS 유발 요인으로 결정하는 RCS 유발 요인 결정부를 더 포함하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 RCS 유발 요인 결정부는 가장 많은 반사 횟수를 갖는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 RCS 도출부는 상기 복수의 패시트 각각의 레이더 단면적을 도출하고,
상기 RCS 유발 요인 결정부는 가장 큰 레이더 단면적을 가지는 패시트를 상기 RCS 유발 요인으로 결정하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 장치는 입력부 및 표시부 더 포함하고,
상기 표시부는 상기 입력부를 통한 시점 설정 입력에 응답하여 설정된 시점에서의 상기 표적, 상기 표적에 포함된 패시트들 및 상기 패시트들 각각의 반사 횟수를 표시하는, 항공기의 레이더 단면적에 대한 수치 해석 장치.