SSBL 방식과 핑거동기 방식을 조합한 바이오텔레메터리 방식의 개발 (1) -시스템의 설계 및 제작 - Development of Biotelemetry Method by Combining the SSBL Method and the Pinger Synchronizing Method (1) - Design and production of system -원문보기
이상의 연구 성과를 정리하면 다음과 같다. 1) 장비의 설치 및 취급이 간편하고, 해양생물의 순간적인 상세한 행동을 비교적 쉽게 추적할 수 있는 새로운 바이오텔레메터리 방식을 개발하였다. 바이오텔레메터리 방식에서 핑거에 수온, 압력센서 등의 추가는 핑거를 부착하는 어류에 많은 부담이 되기 때문에 수신계를 고도화함으로써 행동추적을 행하는 방법으로 하였다. 이 방식은 거리-방위의 측정원리를 이용한다. 즉, 거리를 계측하기 위해서 핑거동기 방식을 이용하고, 방위를 계측하기 위해서 SSBL방식을 채용하여, 거리와 방위를 조합(SPB 방식)함으로서 대상어의 수파기에 대한 상대위치를 구한다. 최대감도방식은 어류의 상세한 위치를 특정하기가 어렵고, 음원측위방식은 항주하는 선박에 의해 넓은 범위의 추적이 곤란하며, 또한 장비의 설치나 취급이 간편하지 못하였으나, SPB 방식에 의해 이들 결점을 대폭 해결할 수 있었다. 2) 새로운 방식으로서 개발한 SPB 방식의 시스템을 설계하였으며, 시작시스템을 제작하였다. 설계에서는 SSBL 방식과 핑거동기 방식의 기술을 조합함과 동시에 각각의 기술을 고도화하여 SPB 방식에 의해 고정도 또는 광범위 검지가 가능하도록 하였다. 따라서, 수파기는 1개로 하여 어레이의 구성의 변환에 의해 검지범위 또는 방위측정정도를 선택할 수 있도록 2개의 빔 모드로 구성 하였다. 주파수는 70kHz로 하였으며, 음원음압 136dB에서 최대검지거리 258m와 457m, 검지빔폭 76$\circ$와 29$\circ$ 를 실현할 수 있었다. 전체적인 시작시스템은 핑거, 2개의 빔모드로 구성된 수파기, 2개의 빔 모드용에 각 2개의 채널로 구성된 수신기, 디지털오실로스코프, 퍼스널컴퓨터로 구축하였다. 핑거동기 방식의 이용에 따른 측정거리오차는 수온변화에 의한 송신주기의 변화를 측정하여 최소화하도록 하였다. 핑거 부근의 수온을 알 수 있다면 핑거 송신주기의 수온특성을 보정하여 74%정도 측정거리오차를 줄일 수 있지만, 장기간에 걸쳐 추적을 하기 위해서는 다른 보정방법의 개발이 필요함을 알 수 있었다.
이상의 연구 성과를 정리하면 다음과 같다. 1) 장비의 설치 및 취급이 간편하고, 해양생물의 순간적인 상세한 행동을 비교적 쉽게 추적할 수 있는 새로운 바이오텔레메터리 방식을 개발하였다. 바이오텔레메터리 방식에서 핑거에 수온, 압력센서 등의 추가는 핑거를 부착하는 어류에 많은 부담이 되기 때문에 수신계를 고도화함으로써 행동추적을 행하는 방법으로 하였다. 이 방식은 거리-방위의 측정원리를 이용한다. 즉, 거리를 계측하기 위해서 핑거동기 방식을 이용하고, 방위를 계측하기 위해서 SSBL방식을 채용하여, 거리와 방위를 조합(SPB 방식)함으로서 대상어의 수파기에 대한 상대위치를 구한다. 최대감도방식은 어류의 상세한 위치를 특정하기가 어렵고, 음원측위방식은 항주하는 선박에 의해 넓은 범위의 추적이 곤란하며, 또한 장비의 설치나 취급이 간편하지 못하였으나, SPB 방식에 의해 이들 결점을 대폭 해결할 수 있었다. 2) 새로운 방식으로서 개발한 SPB 방식의 시스템을 설계하였으며, 시작시스템을 제작하였다. 설계에서는 SSBL 방식과 핑거동기 방식의 기술을 조합함과 동시에 각각의 기술을 고도화하여 SPB 방식에 의해 고정도 또는 광범위 검지가 가능하도록 하였다. 따라서, 수파기는 1개로 하여 어레이의 구성의 변환에 의해 검지범위 또는 방위측정정도를 선택할 수 있도록 2개의 빔 모드로 구성 하였다. 주파수는 70kHz로 하였으며, 음원음압 136dB에서 최대검지거리 258m와 457m, 검지빔폭 76$\circ$와 29$\circ$ 를 실현할 수 있었다. 전체적인 시작시스템은 핑거, 2개의 빔모드로 구성된 수파기, 2개의 빔 모드용에 각 2개의 채널로 구성된 수신기, 디지털오실로스코프, 퍼스널컴퓨터로 구축하였다. 핑거동기 방식의 이용에 따른 측정거리오차는 수온변화에 의한 송신주기의 변화를 측정하여 최소화하도록 하였다. 핑거 부근의 수온을 알 수 있다면 핑거 송신주기의 수온특성을 보정하여 74%정도 측정거리오차를 줄일 수 있지만, 장기간에 걸쳐 추적을 하기 위해서는 다른 보정방법의 개발이 필요함을 알 수 있었다.
A new biotelemetry method that the installation and the treatment of equipment is convenient and the instantaneously detailed location of the fish attached the pinger is able to track comparatively easily was developed. The receiving system in this biotelemetry method was advanced for track the deta...
A new biotelemetry method that the installation and the treatment of equipment is convenient and the instantaneously detailed location of the fish attached the pinger is able to track comparatively easily was developed. The receiving system in this biotelemetry method was advanced for track the detailed behavior of the fish by the miniature tracking pinger, because it was a burden to fish to add the pinger with the water temperature and the pressure sensor. By combining of the super short base line (SSBL) method to detect the direction of pinger and the pinger synchronizing method to measure the range from receiving transducer to pinger, the three dimensional locations of fish to the receiving transducer is gotten instantaneously. The receiving system is devised to realize the high precision or wide detection range by application of the basic design method for receiving system of biotelemetry developed by the present authors and the hydrophone array configuration. The measurement distance error in the pinger synchronizing method is minimized through the correction of which the deviation of transmission pluse period of pinger is caused by changing water temperature. A prototype system which is able to track the instantaneously detailed location of the fish by the SSBL and pinger synchronizing biotelemetry (SPB) method was produced.
A new biotelemetry method that the installation and the treatment of equipment is convenient and the instantaneously detailed location of the fish attached the pinger is able to track comparatively easily was developed. The receiving system in this biotelemetry method was advanced for track the detailed behavior of the fish by the miniature tracking pinger, because it was a burden to fish to add the pinger with the water temperature and the pressure sensor. By combining of the super short base line (SSBL) method to detect the direction of pinger and the pinger synchronizing method to measure the range from receiving transducer to pinger, the three dimensional locations of fish to the receiving transducer is gotten instantaneously. The receiving system is devised to realize the high precision or wide detection range by application of the basic design method for receiving system of biotelemetry developed by the present authors and the hydrophone array configuration. The measurement distance error in the pinger synchronizing method is minimized through the correction of which the deviation of transmission pluse period of pinger is caused by changing water temperature. A prototype system which is able to track the instantaneously detailed location of the fish by the SSBL and pinger synchronizing biotelemetry (SPB) method was produced.
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문제 정의
때문에 측정거리에 오차를 가져온다. 따라서 핑거동기 방식을 고도화하기 위해서는 수온의 변화에 의한 핑거의 송신주기를 측정하여 송신주기의 변화에 따른 측정거리오차를 최소로 하는 방법에 대하여 검토한다.
개발하고자 한다. 또한, SSBL 방식의 기술과 핑거동기 방식의 기술을 조합하여 수파기에 대한 어류의 순간적인 위치를 구하는 것과 동시에, 각각 방식의 기술을 고도화하여 새롭게 개발한 SPB 방식의 고도화를 실현하고자 한다.
본 방식에서는 c와 τ에 가장 큰 영향을 주는 것은 수온이라고 생각되기 때문에, c와 τ에 대한 수온 특성을 조사하여, 측정거리오차의 보정방법에 대해 검토한다.
본 연구에서는 이러한 단점을 보완하고 바이오텔레메터리에 범용으로 사용할 수 있는 일반적인 방식으로서 개발하고자 한다. 또한, SSBL 방식의 기술과 핑거동기 방식의 기술을 조합하여 수파기에 대한 어류의 순간적인 위치를 구하는 것과 동시에, 각각 방식의 기술을 고도화하여 새롭게 개발한 SPB 방식의 고도화를 실현하고자 한다.
가설 설정
설계범용도의 음영으로 채색되어 있는 영역은 총톤수 220fcw의 강선이 선속 11kt로 항주할 때의 잡음스펙트럼계수 NPo = 201ogNp0= 145dB(0dB = 1 μPa/Hz1/2)를 이용하였지만(西村, 1969), 사용하는 선박이 정선 또는 미속 전진하는 것을 가정하여 잡음스펙트럼계수를 135dB로 한다. 따라서, 음영으로 채색되어 있는 영역의 SN비의 하한은 OdB로 선택되어 있지만, 상기 가정으로 SN비는 10dB이 된다. 이 설계 범용도로부터 주파수, 수파기의 직경, 검지빔폭 및 음원음압레벨 등의 기본설계를 실행한다.
최대검지거리 200m 400 m에서 수파기의 직경 2a(실선), 검지빔폭 B0(점선)을 변수로한 신호대잡음비 (signal to noise ratio; SN 비)의 주파수특성이다. 설계범용도의 음영으로 채색되어 있는 영역은 총톤수 220fcw의 강선이 선속 11kt로 항주할 때의 잡음스펙트럼계수 NPo = 201ogNp0= 145dB(0dB = 1 μPa/Hz1/2)를 이용하였지만(西村, 1969), 사용하는 선박이 정선 또는 미속 전진하는 것을 가정하여 잡음스펙트럼계수를 135dB로 한다. 따라서, 음영으로 채색되어 있는 영역의 SN비의 하한은 OdB로 선택되어 있지만, 상기 가정으로 SN비는 10dB이 된다.
제안 방법
2) 새로운 방식으로서 개발한 SPB 방식의 시스템을 설계하였으며, 시작시스템을 제작하였다. 설계에서는 SSBL 방식과 핑거동기 방식의 기술을 조합함과 동시에 각각의 기술을 고도화하여 SPB 방식에 의해 고정도 또는 광범위 검지가 가능하도록 하였다.
따라서 각 빔 블록의 가중치는 전, 좌빔에서는 1:1:1:1로 하고, 우빔과 후빔에서는 1:1:2로 하였다(Johnson and Jayakumar, 1982). 가산기 (ADD) 에상기의 가중치를 붙여 빔을 합성하였으며, 협빔 모드와 광빔 모드는 스위치에 의해 변환하도록 하였다.
이러한 목적을 달성하기 위해서는 소모품으로 사용되는 핑거를 개발하기에는 연속적이면서 자세한 행동파악, 장비의 설치 및 취급 등의 한계가 있으므로, 수신계를 고도화하는 것이 바람직하다. 그래서, 수신측에서 추적전용 핑거를 부착한 어류의 위치를 구할 수 있는 방식으로서, 거리-방위의 측위원리를 기본으로하여 핑거 동기 방식에 의한 거리계측(超音波便覽編集委員會編, 1999; 韓, 1994)과 super short base line (SSBL) 방식(超音波便鸞扁集委員會編, 1999; Milne, 1983)에 의한 방위계측을 조합하여 새로운 방식을 개발한다. 이 방식을 SSBL.
, 1975;Robert, 1975). 그러나, 본 방식은 수파 어레이의 직경과 수파 어레이의 중심간의 거리를 별도로 설계하여 SSBL 방식의 고도화를 행한다.
기본설계의 토대로 검지범위, 측각정도, 소형화의 요구를 충족시켜 SSBL 방식의 고도화를 실현시킬수 있도록 2개의 빔 모드로 수파 어레이를 구성하였다. 협빔 모드에서는 기본설계에서 설계한 수파기의 직경보다 큰 3 λ 광빔 모드에서는 협빔 모드를 보충하여 폭방향으로 넓은 검지가 가능하도록 1 로 하였다.
넓은 검지범위에 대흐}여 연속적으로 핑거음을 수신하여, 상세하게 어류의 행동을 파악하고, 장비의 설치 및 취급이 간편하도록 설계범용도로부터 주파수, 수파기의 직경, 검지빔폭 및 음원음압레벨 등의 기본설계를 행하였다. Fig.
설계에서는 SSBL 방식과 핑거동기 방식의 기술을 조합함과 동시에 각각의 기술을 고도화하여 SPB 방식에 의해 고정도 또는 광범위 검지가 가능하도록 하였다. 따라서, 수파기는 1개로 하여 어레이의 구성의 변환에 의해 검지범위 또는 방위측정정도를 선택할 수 있도록 2개의 빔 모드로구성 하였다. 주파수는 KkHz로 하였으며, 음원음압 136c!B에서 최대검지거리 258m 와 457m, 검지빔폭 76° 와 29° 를 실현할 수 있었다.
이 방식에서는 핑거 송신시각을 수신기의 시각에 동기시켜 동기시간차를 계산하여 거리를 구한다. 또한, 일정한 거리에 설치한 2개의 수파기로부터 핑거음을 수신하여, 그 위상차로부터 평면좌표를 구하고, 압력센서를 내장하고 있는 핑거를 이용하여 펄스 간격의 변화량에 의해 1m의 분해능으로 수심을 구한다. 따라서, 20kHz의 저주파 음원측위시스템과 정보 센서내장의 핑거를 이용하기 때문에 핑거의 크기가 커져, 소형어류의 추적에는 부적합하다.
바이오텔레메터리 방식에서 핑거에 수온, 압력센서 등의 추가는 핑거를 부착하는 어류에 많은 부담이 되기 때문에 수신계를 고도화함으로써 행동추적을 행하는 방법으로 하였다. 이 방식은 거리-방위의 측정원리를 이용한다.
본 연구에서는 기존의 SSBL 방식의 기술이나 핑거 동기 방식의 기술을 조합함과 동시에 각각의 기술을 고도화하여 SPB 방식의 고도화와 간편성을 실현한다. SSBL 방식을 고도화하기 위해서 기본설계에서는 저자들에 의해 개발된 바이오텔레메터리 음향계의 설계방법(朴.
상기의 설계를 기본으로 하여 수파기를 제작하였다. Fig.
설계에서는 SSBL 방식과 핑거동기 방식의 기술을 조합함과 동시에 각각의 기술을 고도화하여 SPB 방식에 의해 고정도 또는 광범위 검지가 가능하도록 하였다. 따라서, 수파기는 1개로 하여 어레이의 구성의 변환에 의해 검지범위 또는 방위측정정도를 선택할 수 있도록 2개의 빔 모드로구성 하였다.
의해 조절한다. 수온을 4.5~30℃까지 변화시키면서, 0.2℃ 또는 0.3℃간격으로 측정하였다. 수온은 반도체 측정소자를 사용한 측정정도 ±0.
수온의 변화에 의한 핑거의 송신주기를 측정하여 송신주기의 변화에 따른 측정거리오차를 최소로 하는 방법으로 핑거동기 방식을 고도화하였다. Fig.
따라서, 음영으로 채색되어 있는 영역의 SN비의 하한은 OdB로 선택되어 있지만, 상기 가정으로 SN비는 10dB이 된다. 이 설계 범용도로부터 주파수, 수파기의 직경, 검지빔폭 및 음원음압레벨 등의 기본설계를 실행한다.
5/로 하였다. 이상에 의해 수파기 어레이의 길이와 위상빔 어레이의 중심간 거리를 결정하였다. 2개의 빔 모드를 설정하는 것에 의해 광빔 모드에서 핑거를 부착한 어류를 추적하여협빔 모드에서 측각하는 사용분류가 가능하다.
주파수는 KkHz로 하였으며, 음원음압 136c!B에서 최대검지거리 258m 와 457m, 검지빔폭 76° 와 29° 를 실현할 수 있었다. 전체적인 시작시스템은 핑거, 2개의 빔 모드로 구성된 수파기, 2개의 빔 모드용에 각 2개의 채널로 구성된 수신기, 디지털 오실로스코프 퍼스널컴퓨터로 구축하였다. 핑거동기 방식의 이용에 따른 측정거리오차는 수온변화에 의한 송신주기의 변화를 측정하여 최소화하도록 하였다.
이 방식은 거리-방위의 측정원리를 이용한다. 즉, 거리를 계측하기 위해서 핑거동기 방식을 이용하고, 방위를 계측하기 위해서 SSBL 방식을 채용하여, 거리와 방위를 조합(SPB 방식) 함으로서 대상어의 수파기에 대한 상대 위치를 구한다. 최대감도방식은 어류의 상세한 위치를 특정화기가 어렵고, 음원측위방식은 항주하는 선박에 의해 넓은 범위의 추적이 곤란하며, 또한 장비의 설치나 취급이 간편하지 못하였으나, SPB 방식에 의해 이들 결점을 대폭 해결할 수 있었다.
전체적인 시작시스템은 핑거, 2개의 빔 모드로 구성된 수파기, 2개의 빔 모드용에 각 2개의 채널로 구성된 수신기, 디지털 오실로스코프 퍼스널컴퓨터로 구축하였다. 핑거동기 방식의 이용에 따른 측정거리오차는 수온변화에 의한 송신주기의 변화를 측정하여 최소화하도록 하였다. 핑거 부근의 수온을 알 수 있다면 핑거송신주기의 수온특성을 보정하여 74%정도 측정 거리오차를 줄일 수 있지만, 장기간에 걸쳐 추적을 하기 위해서는 다른 보정방법의 개발이 필요함을 알 수 있었다.
9는 소자배열과 각 위상빔 어레이의 블록의 합성 방법을 표시한다. 수파 어레이는 길이가 거의 A/2 인 81개의 소자를 사용하였다. 협빔 모드의 각 위상 빔 어레이에는 36개의 소자를 이용하였으며, 광빔 모드에는 4개를 이용하였다 소자블록 1, 2, 3, 4로 협빔 모드의 전빔과 좌빔을 공용하고, 소자블록 7, 8, 9, 10으로 광빔 모드의 전빔과 좌빔을 공용하도록 하였다.
실험은 수온을 변화시킬 필요가 있기 때문에 소형수조(L60XB30XD35cm)에서 실시했다.
이론/모형
SSBL 방식을 고도화하기 위해서 기본설계에서는 저자들에 의해 개발된 바이오텔레메터리 음향계의 설계방법(朴.古澤, 2002)을 적용하며, 또한 수파 어레이의 설계에서는 스프리트빔 방식 계량 어군탐지기의 송수파기의 설계방법(古澤 et al., 1994)을 응용하여 고정도 또는 광범위의 추적이 가능하도록 한다.
Three dimensional coordinate for location of the pinger. The angular locations (θ, Φ) of the pinger are meastired using super short base line (SSBL) method. The distance from the receiving transducer to the pinger W are measured using pinger synchronizing method.
SSBL의 음원측위방식, 스프리트빔 방식 등이 있다. 여기서는 항주하는 선박에 의해 넓은 범위에서 연속적이며 자세하게 행동을 파악할 수 있는 동시에 장비의 설치와 취급이 간편한 SSBL 방식을 채용한다.
이후 처리는 Matlab 등에 의한 프로그램을 만들어 오프라인 처리를 행한다.
핑거의 수파기에 대한 방위계측은 복수의 위상 빔 어레이의 간격을 짧게한 SSBL 방식을 사용하여 전 . 후, 좌 .
성능/효과
1) 장비의 설치 및 취급이 간편하고, 해양생물의 순간적인 상세한 행동을 비교적 쉽게 추적할 수 있는 새로운 바이오텔레메터리 방식을 개발하였다. 바이오텔레메터리 방식에서 핑거에 수온, 압력센서 등의 추가는 핑거를 부착하는 어류에 많은 부담이 되기 때문에 수신계를 고도화함으로써 행동추적을 행하는 방법으로 하였다.
이상에 의해 수파기 어레이의 길이와 위상빔 어레이의 중심간 거리를 결정하였다. 2개의 빔 모드를 설정하는 것에 의해 광빔 모드에서 핑거를 부착한 어류를 추적하여협빔 모드에서 측각하는 사용분류가 가능하다. 또한, 양빔 모드는 위상빔 어레이의 중심간 거리가 달라 측각정도가 다르기 때문에 수파기에 대한 어류의 거리에 의해 사용할 빔 모드를 선택할 수 있기 때문에 유용하다.
즉, 거리를 계측하기 위해서 핑거동기 방식을 이용하고, 방위를 계측하기 위해서 SSBL 방식을 채용하여, 거리와 방위를 조합(SPB 방식) 함으로서 대상어의 수파기에 대한 상대 위치를 구한다. 최대감도방식은 어류의 상세한 위치를 특정화기가 어렵고, 음원측위방식은 항주하는 선박에 의해 넓은 범위의 추적이 곤란하며, 또한 장비의 설치나 취급이 간편하지 못하였으나, SPB 방식에 의해 이들 결점을 대폭 해결할 수 있었다.
핑거의 송신주기의 오차에 의한 측정거리 오차는 수온의 변화가 커질수록 수온이 낮아질수록 커진다. 핑거부근의 수온을 알 수 있다면 이 방법을 적용하여 핑거의 송신주기를 보정하여 측정거리오차를 74% 정도 줄일 수 있을 것이다.
후속연구
이 방식은 측정거리오차가 그다지 크지 않을 때 더욱 효과적이다. 또한, 바이오텔레메터리 시스템에 송신기능이 없을 경우에는, 핑거를 부착한 어류를 선박의 정중앙에 오도록 조선하여 다른 어군탐지기 등으로 대상어의 에코를 수신하여 측정거리오차를 보정할 수도 있을 것이다.
핑거동기 방식의 이용에 따른 측정거리오차는 수온변화에 의한 송신주기의 변화를 측정하여 최소화하도록 하였다. 핑거 부근의 수온을 알 수 있다면 핑거송신주기의 수온특성을 보정하여 74%정도 측정 거리오차를 줄일 수 있지만, 장기간에 걸쳐 추적을 하기 위해서는 다른 보정방법의 개발이 필요함을 알 수 있었다.
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