A Study on the Infrared Signature of a Naval Ship under the Marine Climate

함정 표면 적외선 신호에 대한 해양기상 영향분석

김윤식^1,†

한국해양연구원 해양운송연구부¹

A Study on the Infrared Signature of a Naval Ship under the Marine Climate

Yoonsik Kim

KORDI(Korea Ocean Research and Development Institute) Marine Transportation Research Department

Abstract

A study on the IR(InfraRed) signature of a naval ship has been performed using well known IR signature analysis software, ShipIR/NTCS. Variations of the IR signature radiated from skins of a naval ship have been investigated according to the monthly averaged marine climate conditions. An unclassified destroyer model with and without applying the washdown system was applied to compare the influence on the signature under the background changes. The marine background models were created from the observed data by a buoy of Korea Meterological Administration(KMA). The sensitivity of the ship signature against the climate variables such as air temperature, sea temperature, relative humidity has been studied as well. The seasons which show extreme(max, min) skin signature change by whether the washdown is applied or not. The sensitivities of the air temperature and the sea temperature for a dry-ship reversed by applying the washdown on the ship surfaces.

Keywords : Infrared signature(적외선 신호), Stealth technology(스텔스 기술), Naval ships(함정), Marine climate buoy(해양 기상관측 부이), Sensitivity(민감도), Washdown(선체해수냉각)

1. 서 론

함정의 적외선 스텔스 성능은 함의 생존성 향상을 위해 필수적 으로 갖추어야할 특수성능 중 하나이다. 최근 국내 함정의 설계·

건조 과정에서도 적외선 신호저감을 위한 설계가 이루어지고, 국 외의 함정들에 비해 우수한 적외선 스텔스 성능을 보유한 함정들 도 다양하게 설계·건조되고 있다. 또한 실적함들에 대한 해상시험 을 통해 함정의 적외선 신호를 측정하고 분석하는 시도도 일부 수행되고 있다(Kim, et al., 2010; Kim & Kim, 2011).

일반적으로 함정의 적외선 신호를 나타내는 종속변수(a dependent variable)는 대비복사세기(CRI, Contrast Radiant Intensity)를 적용한다. 이 값은 함 전체에서 방사되는 적외선 대 역 신호와 동일 대역의 배경(background) 신호 간 차이 값을 의 미한다. 이로 인해 해양환경은 함 표면과 에너지 교환과정을 통 해 직접적으로 영향을 미치고, 대비복사세기 산출시 배경의 역할 을 함으로써 간접적으로도 함의 신호에 영향을 미치게 된다. 이 러한 과정을 고려하면 함의 적외선 신호에 가장 큰 영향을 미치 는 요소는 환경요소이며, 적외선신호가 갖는 이러한 특징은 소음, 레이더 반사면적(RCS) 등 여타의 신호와 비교하여 상대적으로 환경에 대한 민감도가 매우 큰 특징을 가진다.

함정의 적외선신호에서 함 표면신호(skin signature)는 함 전체 신호에서 매우 큰 부분을 차지한다. 특히, 태양광을 받는 주간조 건에서 40°C 이상으로 가열된 선체표면은 함 신호에 가장 큰 부 분을 차지할 수 있다. 특히, 고온의 엔진/발전기 폐기구와 폐기가 스에 의한 신호를 저감하기 위한 장치(IRSS)를 적용한 경우 표면 신호가 함 전체신호에서 차지하는 부분은 지배적이라 할 수 있다 (Vaitekunas, 2010).

함 외부의 해양기상조건 중 신호에 영향을 미치는 주요 요소로 는 태양 및 구름(일조량), 기온, 수온, 습도, 풍향/풍속을 들 수 있다(Vaitekunas, 2010). 그리고 함 자체의 영향은 함 운용특성 (운용 추진기관, 함속, 침로)과 표면페인트의 광학적 특성(Gil, et al., 2007), 함 표면 냉각을 위한 선체해수냉각(washdown) 시스 템의 운용 등을 들 수 있다. 해상의 기상변수들은 월간 변화(또는 계절적 변화)에 따라 크게 변화한다. 이러한 기상변화특성은 함 설계 시 해석조건 설정, 해석을 통한 신호저감방안의 효과도 분 석과정 등에서 중요하게 고려되어야 한다. 그리고 해상 시험을 통한 신호 측정 시 시험조건 설정(연중 시기, 시험 해상, 시험시 각 설정 등) 과정에서 중요한 고려요소가 되며, 측정 외 조건에 대한 신호 특성 추정 등을 위해서도 중요한 자료로 활용될 수 있 다(Gil & Cho, 2007).

해양 기상변화에 따른 함 신호변화 특성의 분석을 위해 기상변 수들의 월간변화에 따른 신호 변화, 주요 기상변수들의 변화에 따른 신호의 변화 특성을 분석함으로써 함 설계과정에 적용되는 해석조건 설정 및 측정을 위한 기초자료를 제공할 수 있도록 하 였다. 일반적으로 해양기상변수들은 같이 변화한다. 그러나 본 연구에서는 해양기상변수들 각각의 영향을 별도로 검토하기 위해 기상변수들이 각각의 표준편차 범위 내에서 독립적으로 변화한다 고 가정하였다. 이와 같은 해양기상변화에 따라 함 표면의 적외 선신호 변화 특성을 상용 S/W를 이용한 해석적 방법으로 분석하 였다. 또한 함의 운용특성 중 함속변화와 함 표면에 선체해수냉 각 시스템의 적용에 따른 신호변화 특성 및 기상변수들에 대한 민감도(sensitivity)를 비교 분석하였다.

2. 해양환경 모델 생성

적외선 신호 해석을 위한 해양 환경조건은 기상청에서 제공하 는 부이 기상관측자료를 활용하였다. 기상청에서는 해양 기상관 측을 위해 8개의 부이를 국내 연안에 설치 운영하고 있다(KMA, 2011). 각각의 부이는 기온, 수온, 상대습도, 풍향/풍속/Gust, 기 압 및 파고 등을 관측하여 1시간 간격으로 송신하는 방식으로 운 영되며, 수신된 자료는 해양기상 연구 등을 위해 일반에 제공된 다. 부이를 이용한 관측의 특성상 광범위한 해상에 대한 관측은 곤란하지만 기상관측선을 운용할 수 없는 악천후 조건에서도 관 측이 가능하며, 매 시간마다 기상관측 데이터를 확보할 수 있음 으로 인해 장기간 누적된 데이터를 확보하는 경우 매우 유용한 분석용 자료로 활용이 가능하다. 이 연구에서는 ‘동해’ 부이(No.

5, 동해시 동쪽 80km 해상, 37.53°N/130.0°E)에서 2001년 -2010년까지 10년간 자동 관측된 데이터를 활용하였다. 기온과 수온 및 풍속과 상대습도의 월별 평균(μ) 및 표준편차(σ)를 정리 하면 Table 1, Fig.1, Fig.2에 나타낸 것과 같다.

Month

Wind speed (m/s)

Tair (°C)

Tsea (°C)

RH (%)

μ σ μ σ μ σ μ σ

1 7.1 3.3 4.2 3.4 11.8 1.6 58 13

2 6.5 3.0 5.6 3.5 11.1 1.6 60 14

3 6.3 3.1 7.5 3.1 11.0 1.8 64 14

4 5.6 3.1 11.6 2.4 12.4 1.6 73 14

5 4.7 2.8 14.9 1.9 15.4 1.5 82 9

6 3.8 2.3 18.9 2.1 19.3 1.9 85 7

7 4.1 2.7 21.8 2.2 21.7 2.1 89 5

8 4.6 2.7 24.0 2.0 24.8 1.9 83 9

9 4.9 2.8 21.6 1.6 23.5 1.4 71 10

10 5.6 3.0 18.3 2.7 21.4 1.5 63 11 11 6.4 3.4 11.8 3.6 17.6 1.6 57 12

12 7.0 3.3 6.5 4.0 14.9 1.7 57 12

Table 1 Monthly averaged climate variables

월별 평균 기온과 수온, 상대습도는 여름(7-8월)에 최대값을 나타내며, 겨울(12-2월)에 최소값을 나타낸다. 수온은 기온에 비 해 높으며, 수온과 기온의 차이는 겨울에 가장 큰 특징을 확인할 수 있다. 풍속은 반대의 경향을 보여서 겨울에 최대, 여름(6월)에 최소값을 나타낸다. 풍속은 다른 기상변수들과 달리 매우 큰 표 준편차를 보이고 있다.

관측된 데이터에는 날씨(구름 및 강우) 조건을 확인할 수 있는 데이터가 포함되어 있지 않다. 이로 인해 맑은 날에 해당하는 데 이터만 별도로 추출하지 못하고 전체 데이터의 평균과 표준편차 를 구하였으며, 해석과정에서는 맑은 날씨로 가정하고 해석에 적 용하였다. Fig. 3은 월별 평균기온을 주간(일출-일몰)과 야간(일 몰-일출)으로 별도로 분할하여 월평균 기온을 계산한 것이다. 해 양기상의 특성상 주간과 야간의 월평균 기온은 거의 동일한 결과 를 나타내고 있다. 그 외의 기상변수들도 거의 동일한 결과를 확 인하였다. 따라서 주야간 구분 없이 전체 평균을 주간조건으로 설정하여 해석을 수행하였다.

Fig. 1 Monthly averaged air and sea temperatures

Fig. 2 Monthly averaged wind speed and relative humidity

Fig. 5 3D model and surface mesh of the target ship Fig. 3 Monthly averaged air temperatures (daytime vs.

nighttime)

Kim (2010)은 태양고각 변화에 따른 함의 적외선 신호변화 특 성을 해석하였으며, 태양고각이 25°-35° 조건에서 가장 큰 신호 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 함 표면 신호가 가장 커지는 조건으로써 태양고각=30°조건을 적용하였다.

부이가 설치된 위치에서 매월 15일을 기준으로 태양고각=30°조 건을 만족하는 태양방위각을 계산하면 Table 2와 같다. 월별로 해당조건을 만족하는 시각을 기준으로 해석을 수행하였다.

Month Time (KST) Solar Azimuth angle (°TN)

1 11:35 165

2 10:15 140

3 9:15 120

4 8:25 102

5 7:53 89

6 7:44 83

7 7:54 85

8 8:13 95

9 8:39 111

10 9:19 130

11 10:29 154

12 12:15 180

Table 2 Monthly solar azimuth angle at buoy location

이상과 같이 월별 평균조건과, 기온, 수온, 상대습도에 대해 각각 평균(μ)±표준편차(σ) 조건에 대한 기상모델을 생성하여 각

기상요소의 변화에 따른 함표면의 대비복사세기의 변화특성을 고 찰하였다. 해양환경모델에 대한 대기투과도, 태양 및 대기복사 특성에 대한 해석과정에는 MODTRAN4(Berk, et al., 1999)를 적 용하였다.

3. 해석 대상함 및 신호해석 절차

3.1 해석 대상함

본 연구에 적용한 해석 대상함은 공개된 형상자료를 쉽게 구할 수 있고, 비교적 최근에 건조되는 일반적인 함정의 형태를 갖춘 함중에서 선정하였다. 국내 함정의 경우 해석결과가 보안자료로 취급될 수 있는 점 등을 감안하여 국외의 함정 중 중국의 Type 052C 이지스 구축함(Lanzhow Class)(Saunders, 2005, p.125) 을 해석 대상함으로 선정하였다. 형상데이터는 인터넷의 자료 (TurboSquid, 2012)를 구입하여 일부 수정(단순화) 후 활용하였 으므로 정확한 형상이라 할 수는 없으나 공개된 사진 자료(Fig. 4 참조) 등과 비교적 유사한 형상을 가지고 있다. Type 052C 구축 함은 약 7,000톤급의 이지스(Aegis) 구축함으로써 길이 = 155m, 폭 = 17m이며, 최대속력 = 약 30knots로 확인된다(Wikipedia, 2012).

상부갑판의 다양한 탑재장비들은 제외하고 해석용 3D 모델을 생성하였다. 함의 표면격자(surface mesh)는 Gridgen을 이용하 여 생성하였으며 그 결과는 Fig. 5에 나타낸 것과 같다. 해석 모 델은 약 10,000개의 표면격자로 구성되어 있다.

Fig. 4 Target ship(Type 052C aegis destroyer)

3.2 해석조건 및 절차

함정의 적외선신호 해석용 S/W로 국내에 도입되어 활용되고 있는 것으로는 ShipIR/NTCS(이하 ‘ShipIR')(Davis, 2002)와 RadThermIR(ThermoAnalytics, 2012)을 들 수 있다. 두 S/W는 국내외의 다양한 연구자들에 의해 신호해석(Choi, et al., 2008;

Kim, 2010) 및 검증(Vaitekunas & Fraedrich, 1999; Fraedrich, et al., 2004; Vaitekunas, 2005)을 위한 연구에 활용되고 있다.

국내에서도 적외선신호 해석용 S/W개발을 위한 연구사례(Gil, et al, 2007; Choi, et al., 2010)가 있으나 실제 함정의 설계과정 등 에 아직 활용되지는 못하고 있는 실정으로 파악된다.

본 연구에서는 함의 적외선신호 해석을 위해 ShipIR(Version 3.5)을 이용하였다. ShipIR은 환경모델 해석을 위해 MODTRAN과 연계하여 대기 및 태양복사 등의 해석결과를 활용하고 자체적인 대류/전도 열전달 현상을 해석할 수 있는 기능을 포함하고 있다 (Davis, 2002). ShipIR은 정상상태(steady state) 해석만을 지원 한다. 따라서 해양환경 및 함 운용특성 등 모든 조건을 고정된 상 태로 가정하고 해석을 수행한다. 그리고 폐기가스 모델의 적용을 통해 추진기관 등의 폐기가스로 인한 신호를 해석할 수 있으나, 본 연구에서는 추진기관의 폐기가스 모델을 적용하지 않고, 표면 신호 특성만을 고찰하였다. 그 이유는 폐기가스에 의한 신호는 다양한 해양기상 변수들에 대하여 상대적으로 그 민감도가 작고, 대상함에 설치된 것으로 보이는 신호저감 장치(IRSS)의 정확한 성능데이터를 확보할 수 없었기 때문이다.

해석 조건은 주간조건으로 설정하였으며, 부이가 설치된 위치 에서 매월 15일을 기준으로 태양고각 = 30° 조건을 만족하는 시 각을 기준으로 하였다. 해당 시각과 위치에 따라 태양방위각은 결정된다. 함의 침로는 월별로 설정된 태양방위각-90°조건을 만 족하도록 설정되었다. 이 조건은 함의 정우현에 태양이 위치함으 로써 함의 가장 넓은 면에 태양복사를 통한 가열이 발생하도록 하기 위함이다. 함속은 순항속력 = 18knots, 최대속력 = 30knots 조건에 대해 각각 해석을 수행하였다.

이상과 같이 월별로 함의 침로를 태양방위각을 기준으로 설정 하는 경우 풍향의 영향이 바뀔 수 있는 문제점이 있다. 즉, 월별 상대풍향이 변할 수 있고, 이로 인해 함 표면에서 발생하는 대류 열전달의 영향이 같이 변할 수 있는 문제가 있다. 따라서 본 연구 에서는 해양환경모델 생성과정에는 태양광의 해수면 산란현상 등 을 반영하기 위해 관측 평균치 등을 그대로 적용하고, 함의 표면 에서 발생하는 대류열전달 해석모델에서는 제외하여 함속에 의한 상대풍의 영향만을 고려하도록 설정하였다. 즉, 함속 = 상대풍속, 상대풍향 = 0°(함수풍)이 되도록 설정하여 상대풍향/풍속의 변화 가 다른 요소들의 영향 검토에 미치는 효과를 제거하였다.

함 신호 해석결과에 큰 영향을 미칠 수 있는 요소로서 함 표면 에 적용하는 페인트의 광학적 특성과 선체해수냉각 시스템의 적 용 여부를 들 수 있다. 표면의 페인트의 광학적 특성은 정확한 자 료를 확보할 수 없음으로 인해 ShipIR과 같이 제공되는 페인트 자료(‘darkgrey', 'soot', 'waterwash' 등)를 적용하였다. 선체해수 냉각을 적용하지 않고 페인트만 적용한 모델('dry-ship')은 Fig. 6

에 나타낸 것과 같다. 함 표면 대부분의 구역에 선체해수냉각 시 스템을 적용한 경우는 Fig. 7에 나타낸 것과 같다. 선체해수냉각 을 적용한 경우 해수분무 구역의 표면온도는 환경조건에서 설정 된 해수온도와 동일하게 설정되었다. 각 페인트의 파장별 방사도 (spectral emissivity)는 Fig. 8에 나타낸 것과 같다.

Fig. 6 Ship model with paints('dry-ship')

Fig. 7 Ship model with paints(washdown-model)

Fig. 8 Spectral emissivity of surface paints

해석을 위한 카메라의 관측대역은 중적외선 대역(MWIR, 3-5μ m)과 원적외선 대역(LWIR, 8-12μm)에 대해 해석을 수행하였으 며, 카메라의 고각은 sea-skimming 미사일의 특성을 반영하여 고각 = 0°조건을 설정하였다. 신호해석을 위한 거리는 NATO의

표준해석 조건(Vaitekunas, 2005)을 적용하여 거리 = 1km 조건 을 적용하였다.

해석에 적용된 조건을 정리하면 다음과 같다.

• 침로 : 태양방위각-90°

• 함속 : 순항 및 최대속력 (2 cases)

• 카메라 대역 : 중적외선(MWIR, 3-5μm), 원적외선(LWIR, 8-12μm)

• 카메라 위치 : 거리=1km, 고각=0°

• 상대방위각 : 전방위(0°-360°, 5° 간격)

• 월평균 신호변화 검토조건 : 월평균 기상조건(12 cases)

• 기상변수들의 민감도 분석 : 기온, 수온, 상대습도의 월평균 (μ)±표준편차(σ) (72 cases)

• 선체해수냉각 시스템의 적용에 따른 변화 검토: ON/OFF

4. 해석 결과 및 고찰

4.1 극좌표 그래프 해석

평균기상조건에서 방위각에 따른 대역별 대비복사세기의 극좌 표 그래프를 나타내면 Fig. 9와 같다. 그림과 같이 방위각 = 90°

위치에 태양이 위치하고, 해당방위각에서 함을 바라볼 경우 포착 된 함의 면적이 가장 커짐으로 인해 방위각 = 90°에서 가장 큰 신호값을 나타낸다. 이러한 특징은 두 대역에서 공통적으로 나타 난다. Fig. 9(a)에 나타낸 중적외선(MWIR) 대역의 극좌표 그래프 에서 함 좌현(180°<방위각<360°)에 카메라가 위치하는 경우 해 수면에 반사된 태양광의 영향으로 매우 큰 음의 신호값을 나타낸 다. 이러한 결과는 함의 일반적인 신호로 고려하기 곤란하기 때 문에 중적외선 대역의 그림에서 좌현 부분은 삭제하고 나타내었 다. 원적외선 대역의 경우 이러한 현상은 나타나지 않으며, 태양 광을 받는 구역(우현)과 그늘지역(좌현)의 신호값이 큰 차이를 나 타내는 것을 확인할 수 있다.

함속 변화에 따른 신호변화를 비교하면, 순항속도의 신호값이 최대속도조건에 비해 큰 결과를 확인할 수 있다. 이러한 현상은 최대속도에서 상대풍속이 증가함으로 인해 함 표면의 대류열전달 로 인한 냉각효과 상승에 의한 것으로 분석된다. 그러나 본 해석 은 함 표면신호만을 비교한 것임을 유의할 필요가 있다. 즉, 함의 폐기가스 모델을 포함하는 경우, 중적외선 대역신호에서는 최대 조건에서 순항조건보다 더 큰 폐기영향으로 인해 더 큰 신호값을 나타낼 수도 있다.

Fig. 9에서 월별 신호변화를 비교하면 중적외선 대역의 경우는 10월이 가장 크고, 1월이 가장 작은 결과를 확인할 수 있으며, 원적외선 대역은 10월이 가장 크고 7월이 가장 작은 결과를 보여 준다. 이러한 변화는 기상변수들의 변화가 각 대역별 신호특성에 미치는 영향이 다를 수 있다는 점을 의미한다. 그리고 기온, 수온 등 특정 기상변수 만으로 최대(또는 최소) 신호 조건(월/계절)을

예상할 수 없다는 것을 의미한다. 여러 기상변수들의 복합적인 영향에 의한 신호변화특성은 추가적으로 면밀한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

(a) MWIR

(b) LWIR

Fig. 9 Polar signature plot(dry-ship, monthly averaged conditions)

4.2 월평균 기상조건에서 최대 신호값 변화

앞 절과 같이 극좌표 그래프를 이용한 방위별 분석은 특정 조 건에 대한 세밀한 분석은 용이하지만 다양한 조건들에 대한 비교 분석용으로 활용하기는 적절치 못하다. 따라서 이후의 해석결과 비교과정에서는 각 조건별 해석결과에서 최대 신호값만 추출하여 비교하도록 한다.

먼저 월평균 기상조건에서 각 대역별 신호변화특성을 비교하

면 Fig. 10에 나타낸 것과 같다. 먼저 선체해수냉각을 적용하지 않은 경우('dry-ship')를 보면 중적외선 대역은 9-10월에 최대값 을, 원적외선 대역은 3-4월에 최대 신호값을 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 특히 중적외선 대역에서는 12-1월(겨울) 조건에서 가장 낮은 신호값을 나타내고 있다. 원적외선 대역에서도 겨울에 매우 낮은 신호값을 나타내지만 7-8월의 신호가 더 낮은 결과를 보여주고 있다. 'Dry-ship' 해석결과, 두 대역에서 공통적으로 나 타나는 현상으로는 첫째, 월별 해양기상변화에 따라 함 신호값의 변화가 매우 큰 폭으로 변화한다. 둘째, 순항조건과 최대속도의 함 표면신호는 매우 큰 차이를 나타낸다. 이러한 현상은 함속 변 화에 따른 상대풍속의 변화에 기인한 것으로 파악된다. 즉, 대류 열전달 현상의 변화에 따라 매우 큰 폭으로 함 신호가 변화할 수 있음을 확인할 수 있다.

선체해수냉각 시스템을 적용한 경우는 두 대역 해석결과 모두 'dry-ship' 해석결과와 매우 큰 차이를 확인할 수 있다. 두 대역에

(a) MWIR

(b) LWIR

Fig. 10 Max. skin signature (monthly averaged conditions)

서 12-1월의 신호가 가장 크고, 7-8월의 신호가 가장 작은 특징 을 나타낸다. 이러한 현상은 선체해수냉각의 적용으로 인해 함 표면에서 발생하는 열전달 현상들이 대부분 억제되어 나타나는 현상으로 생각된다. ASTD(Air Sea Temperature Difference, 기 온 - 수온)의 영향이 가장 지배적인 영향을 미치는 것으로 파악 된다. 동일한 이유로 인해 함속 변화에 따른 표면신호의 변화도 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있으며, 선체해수냉각을 이용한 신호저감 효과 측면에서도 12월-1월의 신호저감 효과가 가장 작 은 것을 확인할 수 있다.

4.3 기상변수에 대한 민감도 분석

다른 기상변수들은 월 평균값을 유지하고 기온만 월평균(μ)±

표준편차(σ)로 변화했을 때 함 표면신호의 변화를 비교한 것을 Fig. 11에 나타내었다. ‘Dry-ship'의 경우 기온변화 방향과 신호 변화 방향이 대체로 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉,

(∂J

/

∂T

) > 0의 결과를 나타낸다.

그러나 선체해수냉각을 적용한 경우는 이러한 경향이 역전됨 을 알 수 있다. 즉, 기온이 증가하면 함 신호가 줄어드는 결과를 나타낸다. 선체해수냉각을 적용하는 경우 함 표면의 조건(온도 등)은 고정된 상태에서 기온상승으로 인해 함과 대비되는 배경의 신호가 증가하고, 대기투과도가 줄어듦으로 나타난 결과로 분석 된다.

기온변화에 따른 신호변화 특성 중 특이한 현상으로는 12월의 최대속력조건에서 선체해수냉각을 적용한 경우 함 표면신호가 'dry-ship'에 비해 오히려 증가할 수 있다(평균-표준편차 조건)는 점이다. 중적외선대역 신호의 경우 폐기가스가 포함되면 이러한 현상이 완화될 수 있을 것으로 예상되지만, 원적외선대역 신호는 크게 변화가 없을 것으로 생각된다. 즉, 기온에 비해 수온이 높은 경우 태양광에 의해 가열된 선체를 해수를 이용해 냉각시키는 방 식은 오히려 역효과를 내거나 그 효과가 크게 줄어들 수 있다는 것을 의미한다.

수온의 변화에 따른 함 신호변화 특성을 비교하면 Fig. 12에 나타낸 것과 같다. 수온변화에 따른 영향은 기온변화의 결과와 반대되는 결과를 나타내고 있다. 즉, 수온이 증가하면 'dry-ship' 의 경우는 신호가 감소하고(

(∂J

/∂T

) < 0 )

(∂J

/∂T

) > 0 )

(a) MWIR

(b) LWIR

Fig. 11 Air temperature effect on skin signature

고 있다. 'dry-ship'의 경우 대비복사세기 산출시 수면이 일부 배 경으로 포함되기 때문으로 생각된다. 현재의 결과는 기온변화에 비해 신호변화의 폭이 작은 결과를 나타내고 있으나 카메라의 위 치(고도)가 변하면(즉, 고도가 높아지면) 영상에 포함되는 해수면 이 늘어나고, 이로 인한 영향도 변화할 수 있을 것으로 예상된다.

상대습도 변화에 따른 신호변화 특성은 Fig. 13에 나타내었다.

상대습도의 영향은 기온, 수온의 영향과 다른 특성을 나타내고 있다. 함에 적용되는 선체해수냉각 여부와 무관하게 상대습도가 증가하면 함의 신호가 줄어드는 결과를 확인할 수 있다(

(∂J

/

∂RH) < 0 ).

(a) MWIR

(b) LWIR

Fig. 12 Sea temperature effect on skin signature

이상과 같이 세 개의 기상변수의 변화에 따른 함 표면신호의 변화특성을 보면 기상변수들이 표준편차 범위 내에서 변화하더라 도 최대/최소 신호값을 나타내는 시기(월)는 변화하지 않고 그대 로 유지된다. 즉, 'dry-ship'의 경우 중적외선 대역은 9-10월, 원 적외선 대역은 3-4월에 최대값을 나타내며, 선체해수냉각을 적용 한 경우는 12-1월에 최대값을, 7-8월에 최소값을 나타내는 특성 을 보이고 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 기상청에서 운용하는 부이에서 관측된 해양기 상데이터를 이용하여 동해의 월별 해양기상모델을 생성하고, 월 별 함 표면신호의 변화 특성을 해석적 방법을 이용하여 고찰하였다.

(a) MWIR

(b) LWIR

Fig. 13 Relative humidity effect on skin signature

또한 해양기상변수들에 대한 함 표면신호의 민감도 특성을 고찰 하였으며, 본 연구를 통한 주요 결과를 정리하면 Table 3과 같다.

이와 같이 함 표면에 선체해수냉각을 적용하는 경우 해양기상 환경의 변화, 기상변수에 대한 표면신호의 민감도 특성 등이 'dry-ship'과 비교하여 크게 상이한 특징이 있다. 따라서 함의 설 계 및 해상시험을 통한 측정 조건 설정 등의 과정에서 별도로 검 토하는 것이 적절할 것으로 생각된다.

그리고 수온이 기온보다 크게 높을 경우 선체해수냉각을 통한 신호저감 효과가 큰 폭으로 줄어들거나, 오히려 신호를 증가시킬 수도 있음에 유의할 필요가 있다.

이상의 결과는 상용 S/W를 이용한 해석결과임에 유의할 필요 가 있다. 해석용 S/W에 적용된 대류열전달 해석 모듈 및 MODTRAN4를 이용한 태양, 대기복사 및 대기투과도 등이 복합

Dry-ship Full-washdown

MWIR LWIR MWIR LWIR

Max. J

* Sep.-Oct. Mar.-Apr. Dec.-Jan.

Min. J

Dec.-Jan. Jul.-Aug. Jul.-Aug.

(∂J

/∂T

) + + - -

(∂J

/∂T

) - - + +

(∂J

/∂RH) - - - -

(∂J

/∂V

) - - ≈ 0 ≈ 0

* Jskin = skin signature(CRI)

Table 3 Summary of skin signature analysis results

적으로 영향을 미친 것으로써 각 해석모듈이 개선되면 부분적인 경향변화를 보일 가능성이 있음에 유의할 필요가 있다. 따라서 다양한 시험조건에 대한 측정 데이터 확보와 이를 통한 검증절차 가 반드시 필요할 것으로 사료된다. 그리고 해석의 정확도 향상 을 위해 ShipIR과 같이 경험식을 이용한 대류열전달 계수 계산법 (Davis, 2002)을 대신하여 CFD와 연계한 해석법 등에 대한 연구 가 추가적으로 필요할 것으로 생각된다.

참 고 문 헌

Berk, A. et al., 1999. MODTRAN4 USER'S MANUAL, Air Force Research Laboratory, Space Vehicles Directorate, Air Force Material Command Handscom AFB, MA 01731-3010.

Choi, J.H. et al., 2008. Infrared Signature Analysis of a Ship for Different Atmosphere Temperature and Wind Velocity.

Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, 11(5), pp.84-91.

Choi, J.H. Shin, J.M. Kim, J.H. & Kim, T.K., 2010. Study on Infrared Image Generation for Different Surface Conditions with Different Sensor Resolutions. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(3), pp.342-349.

Davis, 2002. Technical Manual For ShipIR/NTCS (v2.9), Davis Document No. A912-002, Ottawa, Canada: Davis Engineering Ltd.

Fraedrich, D. Miller, C. Stark, E. & Heen, L.T., 2004. ShipIR Model Validation Using NATO SIMVEX Experiment Results, NRL/FR/5750-04-10,080.

Gil, T.J. & Cho, Y.J., 2007. Study on the IR Measurement Scheme and Requirement for Its Evaluation from a Naval ship Considering the Meteorological Conditions. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 44(4), pp.459-465.

Gil, T.J. Choi, J.H. Cho, Y.J. & Kim, T.K., 2007. A Study on Prediction of Surface Temperature and Reduction of Infrared Emission from a Naval Ship by Considering Emissivity of Funnel in the Mid-Latitude Meterological Conditions. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(4), pp.336-341.

Kim, J.H. & Kim, Y., 2011. A Comparative Study between Measurement and Prediction Results of a Naval Ship Infrared Signature in the Marine Environment. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(4), pp.336-341.

Kim, Y., 2010. A Study on Effect of the Solar Elevation on the Ship IR Signature. Journal of Ocean Engineering and Technology, 24(3), pp.38-45.

Kim, Y. Kim, J.H. & Jung, I.H., 2010. Measurements and Simulations on Infrared Signature of a Naval Ship. Journal of Ships & Ocean Engineering, 50(1), pp.13-20.

Korea Meteorological Administration(KMA), 2011. KMA Business-Marine Observation. [Online] Available at:

http://web.kma.go.kr/aboutkma/biz/observation07.jsp [Accessed 20 March 2012].

Saunders, C.S., 2005. Jane's Fighting Ships 2005-2006, Jane's Information Group: Alexandria, Virginia, US.

ThermoAnalytics, 2012. RadThermIR. [Online] Avaliable at:

http://www.thermoanalytics.com/products/radthermir/index.h tml [Accessed 20 March 2012].

TurboSquid, 2012. 3D Model, 3D Modeling Textures and Plugins. [Online] Available at: http://www.turbosquid.com/

[Accessed 20 March 2012].

Vaitekunas, D.A., 2005. Validation of ShipIR (v3.2):

Methodology and Results. Paper presented at the 1st International IR Target and Background Modeling Workshop, Ettlingen, Germany.

Vaitekunas, D.A., 2010. IR susceptibility of naval ships using ShipIR/NTCS. Proceedings ot the SPIE Defence. Security, and Sensing Conference and Exhibitions, Orlando, Florida, USA, 5-9 April 2010.

Vaitekunas, D.A. & Fraedrich, D.S., 1999. Validation of the NATO-standard ship signature model (SHIPIR). Proceeding of SPIE Conference, Paper No. 3699, pp.103-113.

Wikipedia, 2012. Type 052C destroyer. [Online] Available at:

http://en.wikipedia.org/wiki/Type_052C [Accessed 20 March 2012].

김 윤 식