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문제 정의
- 낮과 밤 시간 동안에 관측된 오징어의 음향 자료는 평균 자세 특성이 포함된 TS 특성을 사용할 수 있으나, 일출-일몰 때의 자료는 자세각 변동이 크므로 이에 대한 고려가 필요하다. 따라서, 수신된 음향 자료와 수중 카메라에 의한 영상 자료로부터 자세각에 따른 TS 특성을 분리하고자 하였다. 매초 당 수신된 음향 자료와 영상 자료의 동기화를 위해 Matlab을 이용한 Graphic User Interface (GUI) 프로그램을 구성하였다.
- 본 실험에서는 살아있는 상태의 오징어를 대상으로 실험을 계획했으므로 자유 유영 상태의 단일 오징어로부터 수신되는 음향 자료의 수에 대한 점검이 필요하였다. 두 주파수 모두 ±3.
- 본 연구는 살아있는 상태의 오징어를 대상으로 연구선 혹은 조사선에서 많이 사용되고 있는 동일한 주파수 (38, 120 kHz) 에 대해 TS 특성을 측정하였으며, 주파수간 차이를 파악하였다. 이러한 TS 자료는 실제 음향 자료에서 오징어군을 구별하 고, 자원량을 예측하는 중요한 함수로 쓰일 것이다.
- 본 연구는 음향을 이용한 오징 어 자원량 조사에서 수신된 음향 자료를 실제 자원량으로 환산하는데 필요한 TS 특성을 파악하기 위하여 실시하였다. 이를 위하여 해수 수조 내에서 살아 있는 오징어를 대상으로 TS 실험을 하였다.
제안 방법
- TS 측정을 위한 각 센서의 변수들은 표 1과 같다. 자료 분석을 위한 음향 자료는 EK500의 "single echo detection data (TS, dB)”과 "volume backscattering data (Sv, dB)”로 구분하여 저장하였으며, 이때 ping 간격은 1초였다.
- , 2000), 음향 산란 모델은 Kirchoff ray mode (KRM) model에서 해수와 의 밀도비가 작은 어체 모델식을 이용하였다 (Clay and Home, 1994; Medwin and Clay, 1998). 주파수는 38, 120 kHz, 유영 각도는 ±90。까지 1。간격, 외 투장은 0.25 cm 등간격으로 격자 를 나누어 이론 TS 모델식을 계산하였다. 계산된 각 유영 각도의 TS는 산란 단면적으로 바꾼 후, 본 실험에서 측정한 평균 유영 자세각의 확률밀도함수 (probability density func- tion)와 각각의 곱을 취한 후 그 합으로 평균 TS를 계산하였다 (Fig.
- 살아 있는 오징어를 대상으로 한 기존의 실험 결과 (Kawabata, 2001)7} 입사파와 오징 어가 수직 인 0。의 각도만을 고려 하였다. 그러나, 본 실험에서는 살아있는 오징어의 평균 TS 산출 이외에도 다양한 자세각에 따른 TS 특성을 파악하기 위하여 음파에 영향을 주지 않는 측면과 수조 바닥에 수중카메라를 설치한 후, 두 실험 모두에서 오징어의 움직임을 아날로그 방식의 VHS 테이프에 저장하였다. 한정된 자유 유영 상태에서 단일 개체 오징어의 TS 측정 시간은 1.
- 따라서, 오징어의 유영 각도의 측정으로부터 TS에 영향을 주는 정상적인 자세 각을 측정해야 한다. 단일 개체 실험에서는 미세 줄을 이용하 였으므로 한정된 움직임이 나타날 수 있기에 2 m 지름의 망 내에 자유롭게 유영시킨 군체 실험의 영상 자료로부터 오징어 의 유영 각도를 측정하였다. 이때 각도 측정은 앞에서 설명한 GUI 프로그램을 이용하였으며, 자세각의 정의 또한 동일하게 적용하였다.
- 음향 시스템은 1990년 이후, 많은 연구선과 실습선에서 사용하고 있는 과학어군탐지기 (EK500)의 음향 센서와 동일한 형태와 주파수인 38 kHz (ES38B), 120 kHz (ES120_7) split 빔 센서를 사용하였다 (SIMRAD, 1997). 두 개의 음향 센서는 수심 0.3 m의 수면 부근에 설치되었으며, TS 측정 전에 각각의 구리 보정구를 이용하여 보정을 실시하였다. TS 측정을 위한 각 센서의 변수들은 표 1과 같다.
- 특히, 현장에서 관측한 음향 신호에서 오징어 신호만을 분리하는데 적용하기 위하여 두 개의 주파수를 이용하였다. 또한 TS 특성에서 오징어 자세각이 중요한 변수이므로 자유 유영 상태에서의 자세각 특성을 측정하였다.
- 따라서, 수신된 음향 자료와 수중 카메라에 의한 영상 자료로부터 자세각에 따른 TS 특성을 분리하고자 하였다. 매초 당 수신된 음향 자료와 영상 자료의 동기화를 위해 Matlab을 이용한 Graphic User Interface (GUI) 프로그램을 구성하였다. 이 프로그램에는 수조 바닥과 측면에 설치한 카메라의 아날로그 영상을 디지털 영상으로 만든 자료와, TS 자료, 실험 정보가 입력되며, TS 계산 영역이 포함되어 있다.
- 8。이지만 ±50。까지 오징 어의 유영 범위를 확대하였다. 따라서 단일 개체 오징어에 의한 TS와 그에 해당하는 유영 자세각에서 ±50。이내의 범위에 포함되는 TS 자료만을 추출하여 평균 TS를 계산하였다 (Table 2).
- 수조 내에서 오징어가 살아 움직이는 지속 시간의 불확실성 과 좁은 빔 폭은 실험의 제한 요소로 작용하고 있다. 이러한 제한 요소를 최소화하기 위하여 완전한 자유 유영 상태가 아닌 작은 낚시를 오징어의 血 부근에 연결하는 한정 된 자유 유영 방법을 채택하였다. 즉 38, 120 kHz에 영향을 주지 않는 약 50 cm의미 세 낚시 줄을 오징 어에 연결 한 후, 보조 줄과 추를 이용하여 수심 3.
- 이러한 제한 요소를 최소화하기 위하여 완전한 자유 유영 상태가 아닌 작은 낚시를 오징어의 血 부근에 연결하는 한정 된 자유 유영 방법을 채택하였다. 즉 38, 120 kHz에 영향을 주지 않는 약 50 cm의미 세 낚시 줄을 오징 어에 연결 한 후, 보조 줄과 추를 이용하여 수심 3.8 m 부근까지 오징어를 내리는 방법을 사용하였다. 이러한 방법은 단일 개체 오징어에 대한 음향 실험에서 사용하였다 (Fig.
- 본 연구에서는 오징어 의 평균 TS를 위해 다양한 유영 각도에서 측정을 시도하였으 나 죽은 개체가 아니기 때문에 다양한 유영 각도에서 TS를 측정할 수는 없었다. 특히 실험에서 오징어가 주로 음의 유영 각도를 가지는 경우가 많아 결과적으로 평균한 TS는 편향될 가능성을 내포하고 있으므로 음향 이론 모델을 이용하여 모든 유영 각도를 고려한 평균 TS와 비교하였다.
- 이를 위하여 해수 수조 내에서 살아 있는 오징어를 대상으로 TS 실험을 하였다. 특히, 현장에서 관측한 음향 신호에서 오징어 신호만을 분리하는데 적용하기 위하여 두 개의 주파수를 이용하였다. 또한 TS 특성에서 오징어 자세각이 중요한 변수이므로 자유 유영 상태에서의 자세각 특성을 측정하였다.
- 그러나, 본 실험에서는 살아있는 오징어의 평균 TS 산출 이외에도 다양한 자세각에 따른 TS 특성을 파악하기 위하여 음파에 영향을 주지 않는 측면과 수조 바닥에 수중카메라를 설치한 후, 두 실험 모두에서 오징어의 움직임을 아날로그 방식의 VHS 테이프에 저장하였다. 한정된 자유 유영 상태에서 단일 개체 오징어의 TS 측정 시간은 1.0-1.5시간, 자유 유영 시킨 군체 실험은 4시간 동안 실시하였다.
- 한편, 미세 낚시줄로 오징어의 움직임을 제한시키는 방법에 의한 음향 자료와 완전 자유 유영 상태에 의한 자료를 비교하 고, 또한 오징어의 유영 자세각을 측정하기 위하여 그물 망 내에 복수의 오징어를 자유 유영시킨 상태에서 군체 실험을 추가로 실시하였다 (Fig. lb).
대상 데이터
- 수조 내에서 이동 도중 공기 중에 노출은 하지 않았으며, 실험 시작 전에 오징어 표피에 붙어 있을 미세 공기 방울을 수중에서 제거하였다. 실험에 사용한 살아 있는 오징어 개체수는 총 11개체로 외투장 길이 (mantle length, ML)는 21-27 cm (평균 ML: 24.2 cm)로 성체 오징어에 해당하였으며, 습중량은 221- 515g (평균 습중량: 380.6 g) 이었다. 이 가운데 단일 개체 실험에는 외투장 길이가 22.
- 오징어 TS 측정은 2002년 12월 19-22일에 여수대학교 증양 식 센터 내에 있는 해수 수조에서 실시하였다. 해수 수조는 가로X세로X높이가 모두 5 m로 125 招의 여과 해수로 채워졌 으며, 실험 기간 내내 수온은 12℃, 염분은 33.
- 6 g) 이었다. 이 가운데 단일 개체 실험에는 외투장 길이가 22.8, 25, 27 cm인 건강한 오징어를 대상으로 하였으며, 8개체는 (평균 ML: 24.2 cm) 군체 실험에 사용하였다.
- 본 연구는 음향을 이용한 오징 어 자원량 조사에서 수신된 음향 자료를 실제 자원량으로 환산하는데 필요한 TS 특성을 파악하기 위하여 실시하였다. 이를 위하여 해수 수조 내에서 살아 있는 오징어를 대상으로 TS 실험을 하였다. 특히, 현장에서 관측한 음향 신호에서 오징어 신호만을 분리하는데 적용하기 위하여 두 개의 주파수를 이용하였다.
- 수신된 TS 자료는 모두 사용하지 않고 다음의 두 가지 기준 —(1) 38, 120 kHz의 3 dB 빔 폭이 각각 7。, 7.1。이므로 빔 폭 내에 오징어가 위치하는 alongship 각도와 athwartship 각도가 ±3.5°, ±3.55° 이내인 자료, (2) 단일 개체와 군체 측정에서 오징어는 다양한 분포 수심을 가질 수 있으므로 이 가운데 탐지 수심이 3.5-4.2m의 범위 내에 있는 자료-을 동시에 만족하는 자료를 선택하였다. 선 택된 자료를 이용한 개체 및 군체 오징어의 평균 TS는 후방산 란 단면적 n?)의 평균으로부터 계산하였다 (MacLennan and Simonds, 1992).
- TS 측정을 위한 오징어는 활어 상태로 실험 수조까지 운반한 후, 보조 수조에서 약 24시간을 적응시켰다. 적응 후, 건강 상태가 양호한 오징어만을 대상으로 실험에 사용하였다. 수조 내에서 이동 도중 공기 중에 노출은 하지 않았으며, 실험 시작 전에 오징어 표피에 붙어 있을 미세 공기 방울을 수중에서 제거하였다.
데이터처리
- 25 cm 등간격으로 격자 를 나누어 이론 TS 모델식을 계산하였다. 계산된 각 유영 각도의 TS는 산란 단면적으로 바꾼 후, 본 실험에서 측정한 평균 유영 자세각의 확률밀도함수 (probability density func- tion)와 각각의 곱을 취한 후 그 합으로 평균 TS를 계산하였다 (Fig. 7; Foote, 1980). 계산된 평균 TS는 38 kHz에서 -53.
이론/모형
- 이때, 오징어의 물리적 특성인 밀도비 (g)는 1.025, 음속비 (h)는 1.007을 사용하였으며 (Mukai et al., 2000), 음향 산란 모델은 Kirchoff ray mode (KRM) model에서 해수와 의 밀도비가 작은 어체 모델식을 이용하였다 (Clay and Home, 1994; Medwin and Clay, 1998). 주파수는 38, 120 kHz, 유영 각도는 ±90。까지 1。간격, 외 투장은 0.
- 0 psu였다. 음향 시스템은 1990년 이후, 많은 연구선과 실습선에서 사용하고 있는 과학어군탐지기 (EK500)의 음향 센서와 동일한 형태와 주파수인 38 kHz (ES38B), 120 kHz (ES120_7) split 빔 센서를 사용하였다 (SIMRAD, 1997). 두 개의 음향 센서는 수심 0.
- 이론적인 평균 TS와 실측치와의 차이를 비교하기 위하여 22.6 cm의 외투장 길이를 가진 오징 어를 음향 산란 모델에 적용하였다. 이때, 오징어의 물리적 특성인 밀도비 (g)는 1.
성능/효과
- 3). 3개체 모두를 고려했을 때, 38 kHz에서 TS의 범위는 -64 - -39 dB, 120 kHz는 -65- -36dB로 분포 범위가 넓게 나타나고 있다. 이러한 넓은 TS의 분포는 오징어의 자세각이 다양하게 변함으로써 나타남을 알 수 있다.
- 8개 체를 (평균 ML: 24.2 cm) 동시에 넣어 자유 유영시 킨 군체 실험에서 TS 범 위는 38 kHz에서 -65 - -40 dB, 120 kHz에 서는 -60 --36 dB로 나타났으며, 평균 TS는 각각 -49.5 dB, -46.4 dB 였다. 단일 개체에서와 동일하게 120 kHz에서 평균 TS는 높게 나타나고 있다.
- 6은 38, 120 kHz에 대해 오징어 의 유영 자세각에 따른 TS의 변위를 보여주고 있다. 결과에서 대부분의 유영 자세는 음의 각도를 나타내고 있으며 양의 각도는 일부만 관측되었으며, 최대 TS는 오징어의 자세각이 수평을 이루는 0° 부근에서 나타나고 있다.
- 7; Foote, 1980). 계산된 평균 TS는 38 kHz에서 -53.6 dB, 120 kHz에서 -50.3 dB로 나타났고, 평균 TS의 주파수 차이는 약 3.3 dB로 나타나 본 실험의 실측치에서 나타난 범위 내에 들어옴을 알 수 있다. 모델로 계산된 평균 TS 값은 본 연구에서 실측한 38 kHz고*는 5.
- 1 dB이다. 두 주파수에서 평균 TS는 120kHb게서 1.3-3.8dB 높게 나타나 부레를 가지지 않은 오징어의 경우 120kHz에서 TS가 더 높게 나타나는 특성을 보여주고 있었다.
- 3 dB로 나타나 본 실험의 실측치에서 나타난 범위 내에 들어옴을 알 수 있다. 모델로 계산된 평균 TS 값은 본 연구에서 실측한 38 kHz고*는 5.0 dB, 120 kHz고*는 4.0 dB 낮은 결과이다. 이 같은 차이의 가능성은 음향 산란 모델에서 중요한 변수 인 g와 h 가운데 낮은 h와 실측에서 나타나지 않은 양의 유영 각도의 TS 값으로 설명할 수 있다.
- 기존의 연구에서 오징어의 평균 유영 자세 특성은 해류와의 관계, 포식자로부터의 회피성, 먹이 섭취 단계 등 다양한 조건 으로 인해 거의 알려지지 않았다. 본 실험에서 2 m의 그물 망으로 활발한 움직임을 제한시켰지만 해수보다 큰 밀도를 가진 오징어가 임의의 수심에서 머물기 위한 유영 자세각 특성은 파악할 수가 있었다. 8개체를 자유 유영시키면서 4시간 동안 관측한 오징어 유영 자세각은 전체적으로 머리 부분 이 아래쪽으로 향하는 음의 유영 자세를 나타내고 있었다 (Fig.
- 이상적으로 평균 TS는 오징 어가 모든 유영 각도에서 만들 어 내는 TS로부터 계산되어져야 한다. 본 연구에서는 오징어 의 평균 TS를 위해 다양한 유영 각도에서 측정을 시도하였으 나 죽은 개체가 아니기 때문에 다양한 유영 각도에서 TS를 측정할 수는 없었다. 특히 실험에서 오징어가 주로 음의 유영 각도를 가지는 경우가 많아 결과적으로 평균한 TS는 편향될 가능성을 내포하고 있으므로 음향 이론 모델을 이용하여 모든 유영 각도를 고려한 평균 TS와 비교하였다.
- 한편, 해양에서 오징어는 일정 수심에 존재하기 위해 음의 값을 가지는 정지 자세각 이외에도, 먹이를 잡거나 혹은 일주기 이동에서 양의 자세각을 가질 수 있다. 수조 내의 안정된 환경 속에서도 정지 자세각에서 임의의 움직임을 가질 때 오징어는 양의 유영 각도를 가지는 경우가 있는데, 본 연구의 자세각 측정에서 양의 분포는 전체 자료의 약 11%였다. 이러한 양의 유영 자세각 또한 고려해야 정상적 인 유영 범위를 나타낼 수 있다.
- 만일 음향을 이용한 오징 어 자원량 파악이 가능하다면, 음향 조사의 장점인 신속성으 로 인해 분포 200m 내외의 수 층 전체와 넓은 조사 해역에 대해 자원량 조사가 가능하며, 또한 반복성으로 인해 정확도 를 증가시킬 수 있을 것이다. 특히, 산란 시기의 성체 오징어에 대한 광범위한 조사는 다음 년도에 새로 가입되는 오징어의 자원량을 예측할 수 있으므로 기존의 조사 방법과 음향 조사방법을 병행하면 오징어 자원량 예측에 정확도를 높일 수 있다.
- 이때 센서를 그물 망 가운데에 두었을 때, 그물에 의한 반사 효과는 좁은 빔 폭으로 인해 TS 및 S에 영향을 주지 않았다. 한편, 실험에 앞서 5 m의 얕은 수조 에서 해수면과 수조 바닥을 고려한 오징어의 최적 분포 수심 을 알아보기 위하여 두 개의 센서를 각각 그물 망의 중간에 두고 Sv를 측정한 결과 3.542 m 수심에서 -66 - -71 北로 최소 치를 보였다.
후속연구
- 그러나, 최근 에 오징어보다 더 낮은 TS를 가지고 있는 동물 플랑크톤 연구에서 음향의 이용 가능성에 대한 효용성이 검증되고 있고, 다중 주파수에 의한 종 분리 기법의 가능과 해수 수조에서의 실험 등으로 이러한 어려움이 해결될 수 있음을 보여주고 있다. 따라서, 오징 어에 대한 음향 특성이 규명 된다면 자원량 조사 및 분포 연구에 음향을 이용하는 것이 가능할 것이다.
- 오징어 자원량은 1년의 짧은 수명과 광범위한 분포 해역으 로 인한 현장 조사의 어려움 때문에 전적으로 어선에 의한 어획 량에 의존하고 있는 실정이다. 만일 음향을 이용한 오징 어 자원량 파악이 가능하다면, 음향 조사의 장점인 신속성으 로 인해 분포 200m 내외의 수 층 전체와 넓은 조사 해역에 대해 자원량 조사가 가능하며, 또한 반복성으로 인해 정확도 를 증가시킬 수 있을 것이다. 특히, 산란 시기의 성체 오징어에 대한 광범위한 조사는 다음 년도에 새로 가입되는 오징어의 자원량을 예측할 수 있으므로 기존의 조사 방법과 음향 조사방법을 병행하면 오징어 자원량 예측에 정확도를 높일 수 있다.
- 이러한 TS 자료는 실제 음향 자료에서 오징어군을 구별하 고, 자원량을 예측하는 중요한 함수로 쓰일 것이다. 사용된 오징어의 수가 한정되었으므로 자료의 신뢰도를 증가시키기 위해 실험 개체 수를 증가시 켜 야 하며, 20 cm 미 만의 TS 자료 가 없으므로 이에 대한 추가 실험이 뒤따라야 할 것이다.
- 임의의 해역에서 관측한 음향 신호가 모두 오징어로부터 수신되었다면 기존의 음향 자료로부터 부분적으로 오징어 자원량을 예측할 수 있을 것이다. 그러나 오징어는 일주기 특성을 가지고 있으며, 특히 소형 어류 혹은 동물플랑크톤과 유사한 수직이동 경향을 가지고 있으므로 정확한 자원량 예측 을 위해서는 수신된 음향 신호에서 다른 음향 산란체들의 신호를 분리하는 어종 분리 방법이 필요하다.
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