도플러레이더 교정기 개발

2014년 4월

코리아 인스트루먼트(주)

연구소장  공학박사 최 주 호

도플러레이더 교정기 개발

1. 개  요

● 코리아 인스트루먼트(주)는 포구속도 측정용 도플러레이더의 정확도를       향상시킬 수 있는 레이더 교정기를 개발 및 실용화를 하였음.

● 2014년 3월 6일 국가 기술 표준원으로부터 국제/국가공인 교정기관  인정     받음.

● 개발 교정기는 예상 도플러주파수를 정밀 계산하고 레이더의 측정값과      편차를 정확히 측정하여 보정함으로서 포구속도를 정확하게 교정 가능함.

● 포구속도 측정용 도플러레이더의 측정값을 보정하면 보다 정확한

비행 사거리 계산이 가능함.

☆ 교정기의 관련 내용은 국방과 기술(2014년 2월호. 97-107쪽)에 수록됨.

☆ 한국 군사과학 기술학회 논문 발표예정 (2014,6,19~20)

☆ 한국 군사과학 기술학회 게재 논문 심사 중(2014년 3~)

2. 현 실 태

● 포구속도 측정용 도플러레이더는 육군과 해병대의 K-9 자주포, K-55

성능 개량자주포 및 해군의 일부 함포 등에 장착하여 운용되고 있음.

● 지금까지는 포구속도 측정용 도플러레이더의 교정기가 국내외적으로

개발 되지 않아 국가공인 교정을 받을 수 없었음.

● 포구속도 측정용 도플러레이더의 운용 부서는 도플러레이더 자체의 송신     주파수만을 확인하여 교정을 갈음하고 있는 실정임.

● 국가공인 인정기구인 한국인정기구(KOLAS)에서는 정밀기기의 교정대상     및 주기 설정을 위한 지침에서 속도측정기의 경우 12개월 주기로 교정하     도록 명시하고 있음.

3. 문 제 점

● 포구속도 측정용 도플러레이더는 측정시스템 자체의 고유 오차인 계통     오차(systematic error)로 인하여 기준 값 보다 약 0.1%의 편차 발생.

☆ 계통 오차: 송신주파수 오차, 속도 외삽 오차, 속도 계산 프로세싱

오차 및 각 속도 점의 비선형 오차 등

● 현재 군에서 운용중인 포구속도 측정용 도플러레이더는 전력화 이후 현재까지 국가공인 인정기구인 KOLAS가 규정하는 불확도 평가 절차를 따르지 못하고 있어 정확한 사거리 계산 오류가 예상됨.

● 포구속도 측정값이 부정확할 경우 탄착 사거리의 오차가 발생하며, 추진제나 포탄의 성능시험 평가 시 정확한 포구속도 측정이 요구됨.

● 포구속도 측정용 도플러레이더의 3회 교정결과는 측정값이 기준 값에 비하여 약 0.1% 정도 낮게 속도가 출력되었음 (교정 결과 분석 편 참조)

4. 대  책

포구속도 측정용 도플러레이더의 교정은 군에서 운용 중인 자주포 및 각종 야포의 정확한 명중률을 향상시키고, 군 전투력 향상을 위한 필수 사업으로 KOLAS의 지침에 따라 일정 주기로 정밀 교정이 요구됨.

특허 출원

☆ 특 허 명 : 포구속도 측정용 도플러레이더 장비의 교정 장치 및 교정방법

☆ 출원번호 : 10-2014-0019109(2014년. 3월)

국제 공인 교정기관 인정 (2014. 3. 6)

국가 표준기본법 제14조(국가교정제도의 확립) 및 국가 교정기관 지정제도 운영 요령 제20조(인정 및 공고)의 규정에 의거 아래와 같이 국제 공인교정 기관을 인정하였기에 이를 공고합니다.

한 국 인 정 기 구 장

-인정 번호 : KC00-052호(2/35). 코리아 인스트루먼트(주)

-분류 번호 : 40642 속도측정기

-국가 기술 표준원 공고 : 제 2014-69호

5. 교정기 특성 및 교정 결과

● 교정시스템 사진 및 특성

그림 . 도플러레이더 교정시스템 사진

교정 범위  : 30 m/s~ 2000 m/s

교정 측정 능력: 0.07 m/s(신뢰수준 약 95% k=2)

사용 주파수: 10.525 GHz(피 교정기)

송신 출력  : 0.5 W(피 교정기)

도플러주파수: 1400 Hz~140 kHz

주파수 범위: X Band

● 교정 방법 및 교정 관경

그림 . 도플러레이더 교정시스템 구성

☆ 그림3과 같이 피 교정시스템의 안테나를 교정기 전면 1m 이내에 두고       약 20분정도 예열시킴.

☆ 모든 설치가 완료되면 피 교정기에서 송신주파수를 방사시킨다. 그러면      교정기에서 생성된 예상속도 값에 해당하는 도플러주파수와 피             교정기에서 방사된 송신주파수는 변조가 일어나고, 그 변조된 주파수        가 피 교정기에 입력되면 속도 값을 측정하게 됨.

☆ 이렇게 측정된 속도 값과 도플러주파수에 해당하는 기준 값과 차이가        교정 결과 값이 됨.

☆ 이 결과 값을 보정 값으로 사용하면 정확한 포구속도 값을 얻을 수          있음.

그림 . SL-525 레이더시스템 교정 장면

●교정 결과 및 분석

☆교정 결과

기준 속도 값 (m/s)	레이더 측정 값 (m/s)	비고
40	39.97(-0.03)	-‘14. 1. 13 한국표준 과학연구원에서 전자파 실험실 . -교정에 사용된 레이더는 Weibel사의 1년 이상 사용된 레이더(SL-525)임. -레이더 측정값이 약 0.1% 정도 적게 측정됨 (보정이 필요함)
1000	999.03(-0.97)
1500	1498.54(-1.46)
2000	1998.06(-1.94)

<표1> SL-525 도플러레이더시스템 교정 결과

<표2> SL-528 도플러레이더시스템 교정 결과

기준 속도 값 (m/s)	레이더 측정 값 (m/s)	비고
40	40(0.0)	-‘14. 3. 27 (주)풍산 안강 시험평가팀 . -교정에 사용된 레이더는 Weibel사의 1년 이상 사용된 레이더(SL-528)임. -레이더 측정값이 약 0.1% 정도 적게 측정됨 (보정이 필요함)
100	99.9(-0.1)
300	299.7(-0.3)
500	499.5(-0.5)
1000	999.01(-0.99)
1500	1498.5(-1.45)
2000	1998.0(-2.0)

<표3> SL-520 도플러레이더 시스템 교정 결과

기준 속도 값 (m/s)	레이더 측정 값 (m/s)	비고
40	40(0.0)	-‘14. 3. 27 (주)풍산 안강 시험평가팀 . -교정에 사용된 레이더는 Weibel사의 1년 이상 사용된 레이더(SL-520)임. -레이더 측정값이 약 0.1% 정도 적게 측정됨 (보정이 필요함)
100	99.9(-0.1)
300	299.7(-0.3)
500	499.5(-0.5)
1000	999.0(-1.0)
1500	1498.5(-1.5)
2000	1998.1(-1.9)

● 초기 속도와 사거와의 관계

☆ 사거리와 최기 속도 관계식은 다음과 같다.

[eqn: X= {v _{0} ^{2} sin`2 theta } over {g}]

[eqn: X:```사거리# v _{0} :```초기속도# g`````:```중력가속도# theta `````:```고각]

☆ 기준 값과 측정값의 편차는 -0.1% 이므로 포구속도에 의한        사거리 편차는 아래 식으로 계산 된다.

[eqn: dX=( {999} over {1000} ) ^{2} X= {998001} over {1000000} X=0.998X#]

초기 속도가 -0.1%로 작으면 사거리 편차는 약 -0.2%가 된다.

☆ 현재 군에서 사용 중인 k-9 자주포의 경우 예상 사거리       편차는 다음과 같다.

초기 속도 편차	예상 사거리 (km)	추정 사거리 (km)	탄착 사거리(m) 편차	비고 (장약)
0.1%	10	9.98	20
0.1%	20	19.96	40
0.1%	30	29.94	60
0.1%	40	39.92	80	6호