GPU 기반 광선추적법을 활용한 표적강도 해석 고속화 알고리즘 연구 = Study on the Enhancement of Target Strength Analysis Algorithm Using GPU-Based Ray-Tracing Method

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Target Strength (TS) is one of the critical design parameters used to evaluate the susceptibility of naval ships, which is directly related to their survivability. Numerous studies have been conducted to analyze and estimate TS, and software tools developed based on these studies provide highly accurate solutions even for arbitrarily shaped underwater vehicles. Recently, with the increase in platform size and the advancement of stealth technologies, the computational burden associated with TS analysis has been significantly growing. In response, there has been increasing interest in improving the computational efficiency of TS analysis by leveraging the rapid development of GPU technology optimized for high-speed processing.
In this study, we propose a computationally efficient methodology for TS analysis using a GPU-based image-based Physical Optics (PO) approach combined with a ray-tracing method. In particular, we suggest a near-field TS analysis method based on ray tracing and apply it to enhance the overall TS analysis procedure. To verify the feasibility of the proposed method and examine its applicability to various underwater targets, we developed a GPU-based TS analysis software package that includes a user interface (UI). This software was applied to perform numerical analyses on simple geometries such as plates, spheres, and cylinders, as well as on standardized submarine target models. The results were compared and validated against those obtained using a combined method of Geometric Optics (GO) and Physical Optics (PO).
In addition, this study presents TS analysis procedures for targets with attached target strength absorbing materials (TSAMs) using the proposed methodology. The validity of this procedures was confirmed through numerical simulations of standard target models. The results demonstrate that the proposed GPU-based method significantly improves computation speed compared to conventional CPU-based TS analysis, while maintaining comparable accuracy. The proposed methodology is expected to enable reliable and rapid TS analysis across a wide range of simulation scenarios and analysis conditions.

국문 초록 (Abstract)

표적강도는 함정 생존성의 한 분야인 피격성을 평가하기 위한 중요한 설계 인자 중 하나이다. 현재까지 표적강도를 해석하고 평가하기 위한 많은 연구들이 수행되어 왔으며, 이에 기반하여 개발된 소프트웨어는 임의의 형상에 대해 정도 높은 해를 제공하고 있다. 최근, 함이 대형화되고 신호 저감 기술이 다양한 방식으로 발전함에 따라 표적강도 해석 시 연산 부담이 증가하고 있는 가운데, 고속 연산에 최적화된 GPU 기술의 발전에 따라 표적강도 해석 연구에도 연산 고속화에 대한 관심이 증가하고 있다.
본 연구에서는 이미지 기반 물리광학법과 광선추적법을 활용하여 GPU를 기반으로 한 표적강도 해석 고속화 방법론을 제안하고자 한다. 또한, 광선추적법에 기반한 근거리장 표적강도 해석 방법을 제안하고, 이를 표적강도 해석 고속화 방법론에 적용하였다. 제안한 방법론의 타당성을 확인하고 다양한 수중 표적으로의 적용 가능성을 검토하기 위해 UI를 포함한 표적강도 해석 고속화 소프트웨어를 개발하였고, 이를 활용하여 평판, 구, 실린더 등과 같은 단순 형상 및 잠수함 표적강도 표준 모델에 대한 수치해석 결과를 기하광학/물리광학 혼합 방법을 활용하여 도출한 해석 결과와 상호 비교·검토하였다. 아울러, 제안한 표적강도 해석 고속화 방법론을 활용하여 감소재가 부착된 표적에 대한 표적강도 해석 절차를 제안하였으며, 표적강도 표준 모델에 대한 수치해석을 통해 제안한 절차의 유효성을 확인하였다.
본 연구에서 제안한 연산 고속화 방법론을 활용한 표적강도 해석은 기존 CPU 기반의 표적강도 해석과 대비하여 상당히 향상된 연산 속도를 제공함을 확인하였으며, 응용 연구로써 제안한 방법론들은 여러 가지 해석 조건에 대해 보다 신속하게 동일한 수준의 신뢰성 있는 해석 결과를 제공할 수 있을 것으로 판단한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2. 연구 동향 2
• 1.3. 연구 목적 및 내용 4
• 2. 표적강도 해석 고속화 알고리즘 5
• 2.1. 표적강도 5
• 2.2. 물리광학법 기반 표적강도 해석 고속화 알고리즘 6
• 2.2.1 이미지 기반 물리광학법 6
• 2.2.2 WebGL 활용 단일반사 표적강도 해석 고속화 알고리즘 7
• 2.3. 광선추적법 기반 표적강도 해석 고속화 알고리즘 9
• 2.3.1 광선추적법 9
• 2.3.2 OptiX 활용 다중반사 표적강도 해석 고속화 알고리즘 12
• 2.4. 근거리장 표적강도 해석 방법 24
• 2.4.1 구면투영법 24
• 2.4.2 구면파 형태의 광선 모델링 방법 26
• 3. 표적강도 해석 고속화 S/W 개발 및 수치해석적 타당성 검증 29
• 3.1 표적강도 해석 고속화 S/W 개발 29
• 3.1.1 WebGL 활용 단일반사 표적강도 해석 모듈 32
• 3.1.2. OptiX 활용 다중반사 표적강도 해석 모듈 33
• 3.1.3 근거리장 표적강도 해석 모듈 34
• 3.2 표적강도 해석 고속화 S/W의 수치해석적 타당성 검증 34
• 3.2.1 수치해석 모델 및 조건 34
• 3.2.1.1 단순형상 표적 34
• 3.2.1.2 Benchmark target strength simulation (BeTSSi) 37
• 3.2.2 WebGL 활용 단일반사 표적강도 해석 모듈 검증 41
• 3.2.3 OptiX 활용 다중반사 표적강도 해석 모듈 검증 47
• 3.2.4 근거리장 표적강도 해석 모듈 검증 54
• 4. 표적강도 감소재가 부착된 표적의 표적강도 해석 56
• 4.1. 표적강도 감소재가 부착된 표적의 표적강도 해석 56
• 4.1.1. 표적강도 감소재가 부착된 표적의 표적강도 해석 절차 56
• 4.1.2. 수치해석 및 고찰 59
• 5. 결론 67
• 참고문헌 69
• Abstract 72