[논문]고주파 해수면 후방산란 신호 측정

최지웅; 나정열; 박경주; 윤관섭; 박정수; 나영남

문제 정의

Dahl 등[6]은 수중에서 송신된 음파와 대기에서 송신된 전자기파가 해수면의 같은 영역에 입사하도록 측정 시스템을 설치한 후 후방산란강도를 측정하였으며, 측정 결과 풍속 3 m/s 이상에서 풍속이 증가함에 따른 전자기파에 의한 해수면 후방산란 강도보다 음파에 의한 해수면 후방산란 강도가 훨씬 빠르게 증가하였고, 이러한 원인 또한 공기방울에 의한 산란 영향임을 주장하였다. 본 논문에서는 공기방울 산란 영향이 우세한 것으로 알려진 작은 평면입사각 (20。~40。) 범위에서의 후방 산 란강도를 측정하여 해수면 거칠기 산란 모델 및 미세공기 방울에 의한 산란 모델과 비교 분석하였으며, 낮은 평면 입사각 범위에서의 해수면 산란강도를 예측할 수 있는 모델을 저)시, 검증하였다.
실험시 의 파고는 1 m 이하였고 풍속은 3 m/s였다. 본 연구에서는 같은풍속일 경우 외해에 비해 연안에서의 공기방울 생성량이 많다는 기존의 연구H, 4]에 따라 연안에서 측정한 공기방울 개체수 자료인 Johmon과 Cooke [劉의 자료를 이용하여 만든 근사모델 (식 (12))을 사용하여 공기방울 반경에 대한 함수인 如을 구한 후 공기방 울 모델에 대입함으로써 연안에서의 공기방울 영향을 정확히 파악하고자 하였다.

제안 방법

여기서 J는 공기방울층에 의한 후방산란 단면적이다. 공기방울 밀도는 표층 3 이까지는 지수적으로 감소하다가 3 m 이후부터는 멱합수 법칙 (power law)을 따르는 것으로 알려져 있으몌20], McDaniel과Gormane아래와같은공 기방울 개수를 예측하기 위한 실험식을 제시하였다[21].
공기방울 산란 영향이 큰 것으로 알려진 작은 평면입사 각 (20° -40°) 범위에서의 후방산란 특성을 파악하고 정확한 산란강도를 예측하기 위하여 풍속이 3 m/s이고 해수면 파고가 1 m 이하인 해상상태에서 후방산란 신호를 측정하였다. 측정 결과 고주파인 경우 작은 평면입사각 에서의 후방산란 신호는 공기방울의 영향을 크게 받음을 알 수 있었고 평면 입사각이 증가함에 따라 공기방울의 영향보다는 해수면에 의한 산란 영향이 커짐을 알 수 있었다.
McDaniel[3, 4]은 이러한 원인을 해 수면 하부에 존재하는 미세 공기방울에 의한 산란 영 향으로 가정한 후, Crowther의 공기방울 산란모델[11]과 McDonald와 Henyey 의 공기방울군집 (plumle) 에 의한산란 모델[12, 13]을 복합 거칠기 근사와 결합한 모델을 제시하였다. 국내는 최 등(1)이 공기방울 생성량이 비교적 많은 항만에서 해수면 후방산란 실험을 실시하였다. 그 결과 작은 평면입사각뿐만 아니라 중간 범위의 평면입사각 (30。~45。)에서도 공기방울로 추정되는 산란층에 의한 산란 영향이 크게 작용하였으며 공기방울 밀도가 높은 경우에 산란된 신호에서는 주파수 확장이 발생함을 확인 하였다.
수신된 신호는 산란강도를 구하기 위하여 앙상블 평균 (ensemble average)을 취한 후 RVS를 고려하여 잔향음 준위를 계산하였다. 산란강도는 계산된 잔향음 준위를 아래 공식에 대입하여 계산할 수 있다[23].

대상 데이터

2000년 U월 [일 고주파 해수면 잔향음을 측정하기 위한 실험이 강원도 동해시 연안에서 이루어졌다. 측정 해 역의 수심은 20m였으며 수심 18이에 음원을 설치하였다 사용한 음원은 ITC-5003 트랜스듀서로 6° 의 3 dB 빔폭을 갖는다 (그림 2).
측정 해 역의 수심은 20m였으며 수심 18이에 음원을 설치하였다 사용한 음원은 ITC-5003 트랜스듀서로 6° 의 3 dB 빔폭을 갖는다 (그림 2). 송신에 사용된 음파는 60 kHz, 정현파 신호로 1 ms, 4 ms, 10 ms의 펄스를 사용하였으며 200 kHz 로 샘플링하였다 발생된 음파는 음원 지향각 20。, 30。, 40° 에 대해서 [초 간격으로 각각 50번씩 반복 송신되었다. 수신된 신호는 A/D 변환기와 대역통과 필터를 거친 후 컴퓨터 하드 디스크에 저장하였다 (그림 3).
2000년 U월 [일 고주파 해수면 잔향음을 측정하기 위한 실험이 강원도 동해시 연안에서 이루어졌다. 측정 해 역의 수심은 20m였으며 수심 18이에 음원을 설치하였다 사용한 음원은 ITC-5003 트랜스듀서로 6° 의 3 dB 빔폭을 갖는다 (그림 2). 송신에 사용된 음파는 60 kHz, 정현파 신호로 1 ms, 4 ms, 10 ms의 펄스를 사용하였으며 200 kHz 로 샘플링하였다 발생된 음파는 음원 지향각 20。, 30。, 40° 에 대해서 [초 간격으로 각각 50번씩 반복 송신되었다.

이론/모형

ce 근사를 적용하고 %가 1보다 클 경우에는 Kirchhoff 근사를 이용하여 해 수면 후방산란강도를 계산한다[14]. 그러나 실제 해수면 거칠기는 음파의 파장에 비해 제곱평균 해수면 파고가 큰 저주파 성분과 제곱평균 해수면 파고가 상대적으로 작은 고주파 성분이 섞여 있으므로 해양에서의 음파 산란을 이 해하기 위해서는 작은 평면입사각 범워에서는 Rayleigh- Rice 근사에 저주파 성분에 의한 평면입사각의 변화를 보 정해준 복합 거칠기 근사를, 반사각 범위에 근접할수록 Kirchhoff 근사를 이용한다. (그림
여기서。는 방위각이다. 본 논문에서는 무지향성 파수 스펙트럼으로 Donelan 등[15]과 Pierson[16]의 모델을 이용하여 계산하였으며 두 모델의 적용에 관한 설명은 [2] 에 상세히 설명되어 있다. 식 (1)에서 Bragg 파수인 2k cos 0가 의미하는 것은 해수면이 주기 함수임을 의미 하는 것이 아니라 해수면 파장이 음파의 파장에 비해 매우 작을 경우 해수면 스펙트럼 중에서 Bragg 파수에 해당 되는 해수면 거 칠기 에서 가장 우세한 후방산란이 발생함 을 의미한다.
여기서 re음원에서산란체까지의거리이며, Q는 흡수 상수 (absorption coefficient)로 본 논문에서는 Francois 와 G打ison[24, 25]의 모델에 의하여 계산된 0.0194 dB/m 를 사용하였다.

성능/효과

국내는 최 등(1)이 공기방울 생성량이 비교적 많은 항만에서 해수면 후방산란 실험을 실시하였다. 그 결과 작은 평면입사각뿐만 아니라 중간 범위의 평면입사각 (30。~45。)에서도 공기방울로 추정되는 산란층에 의한 산란 영향이 크게 작용하였으며 공기방울 밀도가 높은 경우에 산란된 신호에서는 주파수 확장이 발생함을 확인 하였다. Dahl 등[6]은 수중에서 송신된 음파와 대기에서 송신된 전자기파가 해수면의 같은 영역에 입사하도록 측정 시스템을 설치한 후 후방산란강도를 측정하였으며, 측정 결과 풍속 3 m/s 이상에서 풍속이 증가함에 따른 전자기파에 의한 해수면 후방산란 강도보다 음파에 의한 해수면 후방산란 강도가 훨씬 빠르게 증가하였고, 이러한 원인 또한 공기방울에 의한 산란 영향임을 주장하였다.
Kur'yiiov[10]는 이 론식 인 Rayleigh-Rice 근사 (approximation)와 Kirchhoff 근사를 결합한 복합 거 칠기 (composite roughness) 근사 를 소개하였다. 그러나 20 皿 이상의 여러 실험 결과에서 평 면입사각 (grazing angle)이 작거나 풍속이 빠를수 록 산란강도는 복합 거 칠기 근사를 통해 애측된 것보다높은 양상을 나타내었다. McDaniel[3, 4]은 이러한 원인을 해 수면 하부에 존재하는 미세 공기방울에 의한 산란 영 향으로 가정한 후, Crowther의 공기방울 산란모델[11]과 McDonald와 Henyey 의 공기방울군집 (plumle) 에 의한산란 모델[12, 13]을 복합 거칠기 근사와 결합한 모델을 제시하였다.
이러한 결과는 실험 당시의 풍속이 3 m/s로 비교적 약했음에도 불구하고 작은 평면입사각에 서는 공기방울 산란이 중요함을 의미한다. 또한 평면입 사각이 증가할수록 경계면 산란 모델과의 차가 줄어들며 이는 평면입사각이 증가할수록 경계면 산란 영향이 증가 함을 의미한다. 측정된 산란강도는 평면입사각이 증가함에 따라 증가하는 경계면 산란 형태를 따르지 않고 평면 입사각이 증가함에도 산란강도는 일정하게 유지되고 있으며 이러한 결과는 공기방울 산란이 후방산란에 가장 큰 영향을 미치고 있음을 나타낸다.
공기방울 산란 영향이 큰 것으로 알려진 작은 평면입사 각 (20° -40°) 범위에서의 후방산란 특성을 파악하고 정확한 산란강도를 예측하기 위하여 풍속이 3 m/s이고 해수면 파고가 1 m 이하인 해상상태에서 후방산란 신호를 측정하였다. 측정 결과 고주파인 경우 작은 평면입사각 에서의 후방산란 신호는 공기방울의 영향을 크게 받음을 알 수 있었고 평면 입사각이 증가함에 따라 공기방울의 영향보다는 해수면에 의한 산란 영향이 커짐을 알 수 있었다. 또한 모델에 의한 모의 결과 해수면이 잔잔할 경우에도 해수 중에는 일정량의 공기방울이 존재하며 이러한 공기방울의 영향은 평 면입사각 40。부근까지도 산란신 호에 영향을 미침을 보여주고 있다.
또한 평면입 사각이 증가할수록 경계면 산란 모델과의 차가 줄어들며 이는 평면입사각이 증가할수록 경계면 산란 영향이 증가 함을 의미한다. 측정된 산란강도는 평면입사각이 증가함에 따라 증가하는 경계면 산란 형태를 따르지 않고 평면 입사각이 증가함에도 산란강도는 일정하게 유지되고 있으며 이러한 결과는 공기방울 산란이 후방산란에 가장 큰 영향을 미치고 있음을 나타낸다. 또한 펄스길이에 따른 잔향음 준위가 증가하였음에도 불구하고 산란강도는 펄스길이에 무관한 경향을 나타내고 있다.
그림 10은 실측 자료와 모델들을 비교한 그림이다. 평 면입사각이 작을수록 경계면 산란 모델과 실측치와는 큰 차이를 나타내고 있으며 실측시의 풍속인 3 m/s에서의 공기방울 공진운동에 의한 산란모델과는 잘 일치하는 경향을 나타내고 있다. 이러한 결과는 실험 당시의 풍속이 3 m/s로 비교적 약했음에도 불구하고 작은 평면입사각에 서는 공기방울 산란이 중요함을 의미한다.
해수면 산란 예측 모델에 의한 모의 결과 작은 평면입 사각 범위 (<40°)에서는 공기방울 산란모델에 의한 예측 치가 우세하며 그 이후의 평면입사각 범위에서는 경계면 산란 모델에 의한 예측치가 우세하게 나타남을 알 수 있다 (그림 10). 이러한 결과는 해수면이 잔잔할 경우에도 해수 중에는 일정량의 공기방울이 존재하며 이러한 공기 방울의 영향은 비교적 높은 평면입사각인 40° 부근까지 도 산란 신호에 영향을 미침을 보여준다.

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