KR20180092674A - Swir 대역에서의 표적 신호 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SWIR 카메라를 이용하여 표적의 SWIR 대역의 정밀한 신호 획득을 위해 거리, 방사율, 외부광원의 복사량, 외부광원의 위치, 표적자세를 흑체/Solar Tracker와 IMU로 구성된 장치를 이용하여 방사율을 얻고, 자체복사량을 계산하여 표적의 표면온도를 계산한다. 장치는 센서로 유입되는 반사광의 복사량으르 구하고 이를 통해 표적의 자세복사량을 구할 수 있는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
Description
본 발명은 SWIR 대역 카메라를 이용해 표적의 정확한 표면온도 정보획득을 가능하게 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
적외선 카메라의 경우 planck 복사법칙을 이용하여 복사온도 측정을 통해 영상으로부터 온도정보 획득이 가능하다. 그러나 SWIR은 센서로 온도에너지 외에 외부 반사성분이 많이 들어온다. 따라서 복사량에 대해 자체온도에 의한 복사량인지 태양의 복사가 반사되어 들어온 것인지 구분되지 않는다. SWIR은 MWIR/LWIR 카메라와 달리 온도정보 외에 반사성분에 대한 획득이 필요하다.
SWIR 적외선 카메라의 경우 태양 등 광원에 의한 반사성분 유입이 크기 때문에 SWIR 영상으로 계산한 복사온도 성분이 표적의 표면온도와 차이가 크다. 이는 기존 기술이 표면온도를 계산하는데 있어 방사율과 파장 두가지 요소만 고려하기 때문이다. 이러한 문제점으로 인해 SWIR로는 표면온도를 정확히 구하는 것이 불가능하며 일반적인 온도계측 카메라는 MWIR 대역이나 LWIR 대역의 카메라를 사용한다. 따라서 SWIR 카메라만을 가진 무기체계에서는 표적의 정보획득을 외해 MWIR/LWIR 카메라 등 추가적인 장치가 필요하여 비용이 증가하고 크기와 무게가 증가한다.
종합해보면 기존 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정률을 높이기 위해 많은 연구가 있었지만, 여전히 표면온도를 정확히 구하는 것은 해결과제로 남아있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 SWIR 카메라를 이용하여 표적의 SWIR 대역의 정밀한 신호 획득을 위해 거리, 방사율, 외부광원의 복사량, 외부광원의 위치, 표적자세를 흑체/Solar Tracker와 IMU로 구성된 장치를 이용하여 방사율을 얻고, 자체복사량(총 복사량-반사량)을 계산하여 표적의 표면온도를 계산한다. 장치는 센서로 유입되는 반사광의 복사량으르 구하고 이를 통해 표적의 자세복사량을 구할 수 있는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치 및 방법을 제공한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치는 데이터를 측정하는 측정부; 상기 측정한 데이터들을 계산하는 복사에너지 계산부; 표적의 방사율을 계산하는 방사율 계산부; 및 표적의 표면온도를 나타내는 결과 표시부; 를 포함한다.
본 발명에서 상기 복사에너지 계산부는 카메라를 통해서 획득된 총 복사량에서 반사광의 복사량을 제외시키는 계산을 수행한다.
여기에서 상기 반사광의 복사량은 태양의 위치 및 복사량, IMU를 이용하여 획득되는 표적의 위치 및 자세, SWIR 카메라의 위치 및 자세를 이용하여 계산될 수 있다.
본 발명에서 상기 방사율 계산부는 특정 파장대에서의 표적의 복사에너지량을 상기 특정 파장대에서의 흑체 복사에너지량으로 승산할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 방법은, 측정 장치들을 통해 카메라, 표적의 위치/자세 및 태양 위치/복사량을 구하는 단계; 상기 측정 장치로 얻은 데이터로 반사광의 복사량, 센서로 유입되는 총복사량과 표적 자체 복사량을 구하는 단계; 및 흑체를 이용해 표적의 방사율을 구하고 표적의 표면온도를 계산하는 단계를 포함한다.
SWIR 대역 카메라를 이용한 표적의 정확하나 표면온도 정보 획득이 가능해지고 SWIR 적외선 카메라는 MWIR/LWIR 과는 다르게 반사성분에 대한 획득이 가능하며 기존 EO(주간카메라)와 유사한 영상 획득이 가능한 효과가 있다.
이러한 장점을 바탕으로 기존 EO+IR 이중센서로 개발된 장비 대체가 가능하며 SWIR에서 열성분을 정확히 분리 가능하게 하여 SWIR 센서로부터 EO/IR 신호 성분으로 분리 획득 가능하게 되고, 기존 장비들처럼 EO센서와 IR센서 두 개를 장착한 효과가 있다.
도 1은 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 방법의 흐름도이다.
도 3은 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치에 관련된 도면이다.
도 2는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 방법의 흐름도이다.
도 3은 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치에 관련된 도면이다.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 일 실시예에 따라 상세히 설명한다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 해당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라 질 수 있다. 또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
나아가, 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
따라서 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
적외선 센서로 들어오는 적외선 신호는 크게 3 가지 성분으로 구분될 수 있다. 이러한 3가지 성분들은 물체 자체에서 방출되는 성분, 태양 및 대기복사가 물체에 반사된 성분, 마지막으로 물체에 상관없이 대기에서 방사되는 성분 등으로 나타낼 수 있다. 또한 이러한 적외선 신호는 일반적으로 파장대역에 따라 근적외선(SWIR), 중적외선(MWIR), 원적외선(LWIR) 등으로 분류하기도 한다. 파장대역별로 적외선이 대기를 투과하는 성질을 살펴보면 일부 특정 파장영역에서는 전혀 투과되지 못하는 파장대역이 있는 반면에 다른 파장대역에서는 매우 잘 투과되는 파장대역이 있다. 이것은 파장대역 별로 적외선이 대기 중의 흡수분자(absorbing molecule)에 의하여 흡수되어 투과하지 못하거나 또는 그 반대로 흡수 되지 않고 대기를 잘 투과하기 때문이다. 특히, 적외선 신호는 대기에 의하여 흡수 및 산란되는 특징이 있기 때문에 물체와 센서 사이의 거리가 증가할수록 적외선 센서로 들어오는 복사에너지는 감소하게 된다. 따라서 정확한 적외선 신호를 분석하기 위하여 대기투과도를 정확하게 반영하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.
적외선 센서를 이용한 탐색기의 경우 물체가 방사하는 적외선 신호를 감지한다. 표적과 배경의 온도차가 클수록 대비가 높은 적외선 신호를 얻을 수 있지만 표적의 재질이나 기후 환경의 영향에 따라 화질에서 많은 차이가 발생한다. 환경에 따른 표적의 적외선 신호는 실제 계측하는 방법이 가장 정확하나 계측용 적외선 장비와 표적, 장소를 준비하는 것은 시간과 비용적인 측면에서 낭비가 크고 불가능한 경우가 많다. 따라서 환경과 표적을 소프트웨어적으로 모델링하여 사전 예측 및 알고리즘에 활용하는 경우가 많다.
적외선 신호는 물체의 표면온도에 따른 자체 방사에너지가 많은 비중을 차지하며, 정밀한 적외선 모델링을 위해서는 정확한 물체의 표면온도 예측이 선행되어야 한다. 물체의 표면온도는 전도, 복사, 대류에 의한 복합 열해석을 통해 계산되며 이를 위해 표적 자체의 열전도계수, 비열, 밀도, 두께 등뿐만 아니라 파장, 태양복사, 태양고도, 대기투과율, 지표방사, 대기온도 등 많은 환경조건이 고려되어야 한다.
도 1은 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치의 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치는 측정부(110), 태양 측정부(111), 카메라/표적 측정부(112), 총복사량 측정부(113), 복사에너지 계산부(120), 방사율 계산부(130), 결과 표시부(140)로 구성된다.
측정부(110)는 태양 측정부(111)와 카메라/표적 측정부(112)및 총복사량 측정부(113)로 구성된다.
태양 측정부(111)는 태양의 위치와 복사량을 측정하게 되고, Solar Tracker 장치를 이용한다.
이때, 태양위치추적은 음영방식(그림자추적방식)을 이용하거나 돋보기를 이용한 바이메탈방식을 이용하거나 태양전지 셀을 이용해 추적할 수 있다.
카메라/표적 측정부(112)는 IMU를 이용한 표적의 위치, 자세를 측정하여 반사될 면에 대한 각도를 알 수 있다. 또한 IMU는 카메라의 위치와 자세도 측정한다.
이때, IMU는 관성의 변화를 기록하는 장치이므로 물체가 어떤 방향으로 이동하고 기울어졌는지를 알아낼 수 있다. 수평회전, 전후이동, 좌우이동을 측정해 관성의 변화를 기록한다.
총복사량 측정부(113)는 SWIR카메라를 이용해 센서로 유입되는 총복사량을 측정한다.
이때, 센서로 유입되는 총복사량은 표적온도에 대한 에너지량과 외부 반사성분 에너지량의 합이다.
복사에너지 계산부(120)는 상기 태양 측정부(111)와 카메라/표적 측정부(112)에서 측정한 데이터를 이용하여 반사광의 복사량을 계산하고 카메라를 통해 센서로 유입되는 총복사량을 측정하여 표적 자체의 복사 에너지를 계산하게 된다.
복사에너지 계산부(120)는 태양의 위치 측정값, 태양의 복사량 측정값 그리고 IMU에 의하여 획득된 표적의 위치 및 자세값, SWIR카메라에서 획득되는 자신의 위치 및 자세값을 이용하여 반사광의 복사량을 계산할 수 있다.
방사율 계산부(130)는 흑체를 이용하여 표적의 방사율을 구한다. 표적의 실제 온도를 읽기 위해서는 표적의 방사율 값을 알아야하기 때문이다.
이때, 흑체는 흡수율과 방사율이 동일하기 때문에 흡수된 에너지에 비례하게 적외선 에너지를 방사하게 된다. 흑체는 적외선 카메라 내부에 위치하게 될 수도 있고, 외부에 따로 나와 물체로 존재할 수도 있다. 흑체의 온도는 균일하게 조정됨이 바람직하다.
결과표시부(140)는 계산된 데이터를 이용해 표적의 표면온도를 계산하여 나타낸다. 적의 표면온도는 아래 수학식1을 따른다.
수학식 1을 구성하는 각 성분은 다음과 같이 정의된다.
위 식을 이용하면 온도T는 다음과 같다.
도 2는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 방법의 흐름도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치는 측정 장치들을 통해 카메라, 표적의 위치/자세 및 태양 위치/복사량을 구한다(S210).
이때, Solar Tracker를 이용해 태양의 위치와 복사량을 측정하고, IMU를 이용해 카메라와 표적의 위치/자세를 측정한다. 이것을 통해 반사될 면에 대한 각도를 알아낼 수 있다. 또한 측정 장치들의 자체 복사량은 총복사량에서 반사량을 제외한 것이 된다.
다음으로, SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치는 S210 단계에서 획득한 데이터로 반사광의 복사량, 센서로 유입되는 총복사량과 표적 자체 복사량을 구한다(S220).
이때, 센서로 유입되는 총복사량은 카메라를 이용해 측정하며, 표적 자체의 복사 에너지는 카메라를 이용해 센서로 유입되는 총복사량에서 반사광의 복사량을 제외한 것이 된다.
다음으로, SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치는 흑체를 이용해 표적의 방사율을 구하고 표적의 표면온도를 계산한다(S230).
이때, 표적의 표면온도를 구하는 식은 [수학식 1]을 이용한다.
도 3은 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치에 관련된 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 태양의 위치와 복사량을 Solar Tracker로 측정하고, IMU를 이용해 표적의 위치와 자세를 측정해 반사될 면에 대한 각도를 알 수 있으며, IMU를 이용해 카메라의 위치와 자세도 측정한다. 태양의 위치, 복사량 측정결과와 IMU를 이용한 위치, 자세 측정 결과 및 IMU를 이용한 카메라 위치, 자세 측정 결과를 이용해 반사광의 복사량을 계산하고 카메라를 이용해 센서로 유입되는 총 복사량을 측정하여 표적 자체의 복사에너지를 계산한다. 이 때 표적 자체의 복사에너지는 센서로 유입되는 총복사량 값에서 반사광의 복사량값을 제외한 값이 된다. 흑체를 이용하여 표적의 방사율을 구한 뒤 표적 자체의 복사량과 방사율을 이용하여 표적의 표면온도를 구할 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (5)
- 데이터를 측정하는 측정부;
상기 측정한 데이터들을 계산하는 복사에너지 계산부;
표적의 방사율을 계산하는 방사율 계산부; 및
표적의 표면온도를 나타내는 결과 표시부; 를 포함하는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복사에너지 계산부는 카메라를 통해서 획득된 총 복사량에서 반사광의 복사량을 제외시키는 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 반사광의 복사량은 태양의 위치 및 복사량, IMU를 이용하여 획득되는 표적의 위치 및 자세, SWIR 카메라의 위치 및 자세를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치. - 제1항에 있어서, 상기 방사율 계산부는
특정 파장대에서의 표적의 복사에너지량을 상기 특정 파장대에서의 흑체 복사에너지량으로 승산한 것을 특징으로 하는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 장치. - 측정 장치들을 통해 카메라, 표적의 위치/자세 및 태양 위치/복사량을 구하는 단계;
상기 측정 장치로 얻은 데이터로 반사광의 복사량, 센서로 유입되는 총복사량과 표적 자체 복사량을 구하는 단계; 및
흑체를 이용해 표적의 방사율을 구하고 표적의 표면온도를 계산하는 단계; 를 포함하는 SWIR 대역에서의 표적 신호 측정 방법.
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