[논문]양상태 해수면 음파산란 측정

최지웅; 나정열; 나영남

양상태 해수면 음파산란 측정
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126-kHz양상태 해수면 음파산란 측정을 강원도 삼척시 연안에서 수행하였다. 수평입사각을38％, 52％로 고정시킨 상태에서 트랜스듀서와 청음기의 거리를 변화시키면서 산란각의 변화에 따른 전방산란 신호의 변화를 관찰하였다. 해저면 산란신호와는 달리 해수면 산란신호는 해수면 유동성에 의해서 도달시간 변이와 진폭의 변이를 나타내었으며 신호간의 상관관계도 불규칙적인 경향을 나타내었다. 전방산란강도를 계산하여 Kirchhoff approximation (KA)과 small slope approximation (SSA)을 비교한 결과 두 모델 모두 실측치와 잘 일치하였다.

126-kHz bistatic sea surface scattering measurements were conducted in the shallow waters off the east coasts of Korea. The range from source to receiver was altered to change the scattering angle at the grazing angles of 38％ and 52％ . Unlike bottom scattering signal, the arrival time and the amplitude of sea surface scattering signals were varied due to the fluctuation of sea surface. The measured forward scattering strengths were compared to model predictions of Kirchhoff approximation and small slope approximation. In overall, the tendency of the scattering strengths showed reasonable agreement among the experimental data, Kirchhoff approximation, and small slope approximation.

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문제 정의

음파를 이용한 해양탐사 방법은 음원과 수신기가 같은 위치에 존재하는 단 상태 시스템에서 음원과 수신기가 서로 분리된 양상태 시스템으로 발전하고 있는 상황에서 경계면 특히 해수면에서의 음파 전방산란 특성 연구의 중요성이 부각되고 있다. 따라서 본 논문에서는 해수면 음파산란 실험을 통하여 천해에서의 음파전달에 큰 영향을 미치는 해수면 전방산란 특성을 파악하고자 하였으며 Kirchhoff approximation 이후 KA)[3]과 small slope approximation (이후 SSA)[4, 5]을 이용하여 예측한 산란강도와 실측치를 비교 분석하였다.
본 논문에서는 해수면 전방산란 특성을 파악하기 위해서 2000년 8월 강원도 삼척시 연안해역에서 수평입사각 (incident angle, 과산란각 (scattering angle, 0}을변화시키 면서 해수면 전방산란신호를 측정하여 양 상태 해수면 잔향음 특성을 파악하고자 하였으며 전방산란 강도를 구하여 KA 및 SSA와 비교하였다.

가설 설정

1. Definition of bistatic angels. 0■- grazing angle, 0S- scattering angle, 0 b- bistatic angle.

제안 방법

이를 보완하기 위하여 해수면 거칠기를 저주파 성분과 고주파 성분으로 구분함 없이 KA와 perturbation 이론을 연결해주는 SSA가 개발되었다⑷. 그 후 SSA 이론에 대한 많은 연구와 다른 이론들과의 비교를 통하여 SSA의 정확성을 확인하고자 하였으나 실제 관측 자료와의 비교를 통한 연구는 미비하였다[9〜口. DaM[5]은 수평어레이(HLA) 청음기를 이용하여 반사각에서의 해수면 산란의 수평적인 상관관계를 파악하였으며 이를 SSA와 비교 분석하였다. 그러나 반사각 위주의 분석만을 수행하였을 뿐 산란 각의 변화에 따른 산란패턴을 파악하지는 못하였다.
다중경로 영향을 줄이기 위하여 음원의 빔폭이 10 인 지향성 음원을 사용하였으므로 음파의 진행방향^ 수신기를 위치시키기 위해 지지대를 사용하여 지향 오차를 최소화 하였다(그림3). 본 실험에서는 수평 입사각을 38° 와 52。의 두 가지 경우에 대하여 실험을 실시하였으며 38° 의 경우 산란각의 범위는 약 22~80。, 52。의 경우의 산란 각 범위는 19〜57。였다.
본 실험에서는 실험 당시 해상풍속도가 1 m/sec 미만이 었고 해수면 또한 상당히 잔잔한 상태였으므로 공기 방울에 의한 산란 영향을 고려하지 않았다. 그러나 해수면이 거칠어질수록 쇄파에 의해 생성되는 공기방울에 의한 음파 산란이 중요한 부분을 차지하므로 공기방울에 의한 산란 영향도 고려되어야 할 것이다.
해수면 양 상태 음파산란 특성을 파악하기 위하 여 천해에서 지향성 음원을 사용하여 전방산란신호를 측정하였다. 수평 입사각을 38。와 52。로 고정시킨 상태에서 음원과 수신기의 거리를 점차 늘려가면서 산란각을 변화시켰다.

대상 데이터

7m에 위치시켰다. 수신기로는 무지향성인 B&K 8106 을사용하였으며 트랜스듀서에서 4m 떨어진 곳에 설치한 후 12m까지 Im씩 거리를 증가시키면서 해수면 산란신호를 측정하였다 (그림 3).
양 상태 해수면음파산란 실험은 2000년 8월 12일 강원도 삼척시 근덕면 부근 해상에서 실시되었다 (그림 2). 실험 당시의 해수면 거칠기는 목측에 의하면 0.
음원 신호는 펄스 길이가 0.4 msec인 126 kHz 정현파 신호였으며 1.5초의 간격으로 50번씩 반복하여 송신하였다. 수신기에 수신된 산란신호는 measuring amplifier (B&K 2610)에서 30 dB 증폭된 후 A/D 변환기를 거쳐 대역 통과 필터를 통과시킨 후 컴퓨터에 저장하였다.

데이터처리

수신된 신호는 산란강도를 구하기 위하여 앙상블 평균 (ensemble average)을 취한 후 RVS를 고려하여 잔향음준위를 계산하였다(그림4). 산란 강도는 계산된 잔향음준위를 아래 공식에 대입하여 계산할 수 있다[16].

후속연구

전방산란 강도를 계산하여 산란강도 예측 모델과 비교한 결과 KA과 SSA에 의한 예측치와 잘 일치하였다. 그러나 두 모델 중 더욱 정확한 모델을 판단하기 에는 본 측정 결과에서는 어려우며 이를 위 해서는 측방산란 및 후방 산란까지 포함된 전방향에서의 3차원 산란 패턴 측정 및 모델 간의 비교가 필요하다. 또한 이번 실험에서는 해수면 파수 스펙트럼으로 낮은 파수 영역에서는 Donelan 의 모델을, 높은 파수 영역에서는 Pierson의 모델을 사용하였으나 더욱 정확한 예측치를 계산하기 위해서는 wave buoy를 이용한 실험해역의 해수면 거칠기를 파악하여야 한다.
그러나 두 모델 중 더욱 정확한 모델을 판단하기 에는 본 측정 결과에서는 어려우며 이를 위 해서는 측방산란 및 후방 산란까지 포함된 전방향에서의 3차원 산란 패턴 측정 및 모델 간의 비교가 필요하다. 또한 이번 실험에서는 해수면 파수 스펙트럼으로 낮은 파수 영역에서는 Donelan 의 모델을, 높은 파수 영역에서는 Pierson의 모델을 사용하였으나 더욱 정확한 예측치를 계산하기 위해서는 wave buoy를 이용한 실험해역의 해수면 거칠기를 파악하여야 한다. 또한 해수면이 거칠어질수록 쇄파에 의해 생성되는 공기방울에 의한 음파산란이 중요한 부분을 차지하므로 공기방울에 의한 산란 영향도 고려되어야 할 것이다.
또한 이번 실험에서는 해수면 파수 스펙트럼으로 낮은 파수 영역에서는 Donelan 의 모델을, 높은 파수 영역에서는 Pierson의 모델을 사용하였으나 더욱 정확한 예측치를 계산하기 위해서는 wave buoy를 이용한 실험해역의 해수면 거칠기를 파악하여야 한다. 또한 해수면이 거칠어질수록 쇄파에 의해 생성되는 공기방울에 의한 음파산란이 중요한 부분을 차지하므로 공기방울에 의한 산란 영향도 고려되어야 할 것이다.
수평 입사각이 52。일 경우는 산란 각 20〜40° 범위에서 두 모델에 비해 1〜3dB 높은 산란강도를 나타내며 산란 각 45。와 57° 에서는 모델보다 3~4dB 낮은 산란강도를 나타내고 있다 (그림 10). 전반적으로 시스템 오차 및 측정시 발생하 는 지향오차를 고려시실측치는 두 모델과 잘 일치하는 것으로 판단되나 두 모델 중 더욱 정확한 모델을 판단하기는 본 측정 결과에서는 어려우며 이를 위해서는 측방산란 및 후방 산란까지 포함된 방향에서의 3차원 산란패턴 측정 및 모델 간의 비교가 필요하다.

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