해양 탐사에 있어서 해저퇴적물의 물성을 파악하는 것은 해양 연구의 기초 자료로써 활용되고 있다. 이러한 해저퇴적물의 물성을 파악하기 위해서는 시추를 통한 직접적인 방법이 있지만 경제적, 시간적 손실이 크고 공간적인 한계가 있다. 이에 음향 장비를 이용한 해저퇴적물 분류 연구가 활발히 진행 중에 있다. 본 논문에서는 해저 지형 조사 장비의 일종인 음향측심기에 의한 음향 신호의 나카가미(Nakagami) 분포를 분석하여 해저퇴적물의 특성을 분류하는 연구를 수행하였다. 나카가미 변수인 m 값의 변화에 따라 해저퇴적물의 물리적 특성이 달라지는 것을 확인하였고, 이는 해저퇴적물특성 연구의 기초자료로 활용되리라고 여겨진다.
해양 탐사에 있어서 해저퇴적물의 물성을 파악하는 것은 해양 연구의 기초 자료로써 활용되고 있다. 이러한 해저퇴적물의 물성을 파악하기 위해서는 시추를 통한 직접적인 방법이 있지만 경제적, 시간적 손실이 크고 공간적인 한계가 있다. 이에 음향 장비를 이용한 해저퇴적물 분류 연구가 활발히 진행 중에 있다. 본 논문에서는 해저 지형 조사 장비의 일종인 음향측심기에 의한 음향 신호의 나카가미(Nakagami) 분포를 분석하여 해저퇴적물의 특성을 분류하는 연구를 수행하였다. 나카가미 변수인 m 값의 변화에 따라 해저퇴적물의 물리적 특성이 달라지는 것을 확인하였고, 이는 해저퇴적물특성 연구의 기초자료로 활용되리라고 여겨진다.
The physical properties of a seafloor sediment have been used as a basic data for the ocean survey. Conventional methods such as a coring, a drilling, and a grabbing have been used to explore the physical properties but these methods have a number of shortcomings as it is time consuming, expensive a...
The physical properties of a seafloor sediment have been used as a basic data for the ocean survey. Conventional methods such as a coring, a drilling, and a grabbing have been used to explore the physical properties but these methods have a number of shortcomings as it is time consuming, expensive and spatially limited. To overcome these limitations, seafloor sediment classification using acoustic signals has been studied actively. In this paper, we obtained the backscattered signal from the seafloor sediment using an echo sounder which is one kind of seafloor topography equipment. Nakagami probability density function of the backscattered signals from the seafloor sediment was computed and a Nakagami parameter was compared with the physical properties of the seafloor sediment. We have confirmed that Nakagami parameter, m is correlated with the physical properties of a seafloor sediment. This study will be utilized as a basic data of the seafloor sediment research.
The physical properties of a seafloor sediment have been used as a basic data for the ocean survey. Conventional methods such as a coring, a drilling, and a grabbing have been used to explore the physical properties but these methods have a number of shortcomings as it is time consuming, expensive and spatially limited. To overcome these limitations, seafloor sediment classification using acoustic signals has been studied actively. In this paper, we obtained the backscattered signal from the seafloor sediment using an echo sounder which is one kind of seafloor topography equipment. Nakagami probability density function of the backscattered signals from the seafloor sediment was computed and a Nakagami parameter was compared with the physical properties of the seafloor sediment. We have confirmed that Nakagami parameter, m is correlated with the physical properties of a seafloor sediment. This study will be utilized as a basic data of the seafloor sediment research.
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문제 정의
본 연구는 해저면 지형 조사에 주로 이용되고 있는 음향 측심기를 이용하여 해저퇴적물에서 산란된 음향신호를 획득하고 해저퇴적물의 물리적 특성에 따라 산란 신호의 확률밀도함수가 어떻게 달라지는지를 연구하였다. 이를 위해 수조 실험을 통해 사전 예비조사를 실시하였고, 실 해역에서의 해상 실험을 통해 연구를 수행하였다.
그 결과, 해저퇴적물의 물성이 다를 경우나카가미 확률밀도함수의 형태가 달라짐을 확인하였고, 또한 나카가미 확률밀도함수를 결정 짓는 나카가미 변수의 값들이 다르다는 것을 알게 되었다. 이를 통해서 나카가미 변수 혹은 확률밀도함수의 분포를 통하여 해저 퇴적물의 물리적 특성을 분류하는 가능성을 제시였다. 이러한 연구는 비단 해저퇴적물의 물성에만 국한되지 않고, 현재 해저에 매몰되어 있는 기타 구조물 확인 작업에도 기여할 수 있다고 생각된다.
제안 방법
그림 3에서 보는 바와 같이 태안반도 북쪽 해역 (Site-I: 126°06'54”E ~126°06'55”E, 37°02‘44”N ~37°04‘01” N)과 금강 하구의 두 해역 (Site-II: 126°42'32"E ~ 126°42'39”E, 35°59‘31”N ~35°59‘58”N, Site-Ill: 126° 4必21”E ~ 126°42'42”E, 35°59‘33"N ~ 35° 59‘36”N)을이동하면서 해저퇴적물에 의한 음향 신호를 획득하고, 식 (1)의 나카가미 확률밀도함수를 구하여 해저퇴적물 물성에 따른 차이점을 비교, 분석하였다.
0625 mm) 체를 통과하도록 습식 체질 (wet sieving) 하여 체에 남은 4 0 이하의 조립질과 체를 통과한 4 0 이상의 세립질 퇴적물로 분리하였다. 건조된 조립질 퇴적물은 0.5 0 간격의 체가 단계별로 장착된 자동 로텝 진탕기 (Ro-tap sieve shaker) 에 넣어 15 분 간 체질하여 입도 별로 무게를 구하였다. 세립질 퇴적물은 약 2 g씩을 50 ml 비커에 넣고 0.
이를 위하여 본 논문에서는 다중 빔 음향 측심기와 천부 지층 탐사기를 이용하여 실험실과 실 해역에서 센서검 .교정 및 해저퇴적물 음파 산란 실험을 실시하여 획득한 음향 자료를 분석하였다. 이는 해저퇴적물 산란 신호가 퇴적물의 물리적 특성, 즉 평균입도, 분급, 공극률 등에 영향을 받기 때문에 음향 신호 처리 기법의 개발이야말로 해저퇴적물 분류를 위한 주요 연구라고 여겨진다.
후방산란신호는 산란체의 통계적 변화에 따라 다양한 형태의 확률밀도함수를 보인다 [10], 이에 후방산란신호의 확률밀도함수를 비교함으로써 산란체의 특성을 분류할 수 있다. 그림 1에서 보는 바와 같이, 해저 경계면에 의한 신호를 배제하고, 바로 밑 해저 퇴적물에 의한 후방산란신호의 시계열 전압량 (Voltage value) 을 힐버트 변환(Hilbert transform) 하여 포락선 (Envelope, 3)을 구하였다. 이렇게 구하여진 후방산란 포락선 신호의 나카가미 확률밀도함수, f(R)을 구하기 위하여 다음과 같은 식을 사용하였다 [20],
5°의 빔 형태를 보인다. 그림 2에서 보는 바와 같이, 음향 측심기를 모래면 중앙 상단 3 m, 수심 1 m의 위치에 고정해 두고, 수신기 (TC4014, RESON Inc, Goleta, CA, USA)를 우측 벽면에서 2 m 떨어지고 수심이 2 이인 위치 (1번 위치)에 놓고, 0.5 m 간격으로 1번에서 4번으로 수평으로 위치를 바꾸면서 신호를 송수신하였다. 4번 위치에 도달한 후에는 좌측으로 1 m를 옮겨 5번 위치에 놓고 다시 0.
대부분의 이러한 연구들은 음향 특성 임 피던스가 바뀌는 거 칠기 (Roughness)를 갖는 경 계면에서 산란된 음향신호를 분석하여 해저퇴적물의 물리적 특성을 파악한다. 반면, 본 논문에서는 이와 같은 거칠기를 갖는 해저 경계면에서 반사된 음파 신호를 배제하고, 해저 경계면을 투과한 음파가 퇴적물에서 산란된 체 적 후방 산란 신호를 획득하여 분석하였다. 이 후방산란 신호의 확률밀도함수 (R-obability Density Function, PDF) 를 구하여 그 PDF가 해저퇴적물의 특성에 따라 어떻게 달라지는 지를 연구하였다.
본 연구는 해저퇴적물에서 산란되어 돌아오는 미가공음향자료 (Raw data)를 활용하여 신호처리 기법에 의한 산란 신호의 통계적 분포를 분석하였다. 음향 자료의 경우, 나카가미 (Nakagami) 확률 분포, K-분포 등 음파산란체의 분포 및 물리적 특성에 따른 음향 신호의 특성 연구가 활발히 수행되고 있으며, 이러한 기법든을 음향측심기의 음향 자료에 적용하여 해저퇴적물 산란체의 특성을 파악한다면 해저퇴적물 분류가 가능하리라고 판단된다.
5 0 간격의 체가 단계별로 장착된 자동 로텝 진탕기 (Ro-tap sieve shaker) 에 넣어 15 분 간 체질하여 입도 별로 무게를 구하였다. 세립질 퇴적물은 약 2 g씩을 50 ml 비커에 넣고 0.1% 분산제 (Calgon)를 300 ml을 첨가하여 균질하게 분산시킨 후 X- 선 입도분석기 (Sedigraph 5000D, Particle & Surface Sciences Pty. Limited, Gosford, New South Wales, Australia)로 각 입도 별 분포를 구한 후 각 시료의 입도별 백분율을 구하여 입도 성분 및 특성을 분석하였다 [21].
시약 처리된 시료는 4 0 (0.0625 mm) 체를 통과하도록 습식 체질 (wet sieving) 하여 체에 남은 4 0 이하의 조립질과 체를 통과한 4 0 이상의 세립질 퇴적물로 분리하였다. 건조된 조립질 퇴적물은 0.
반면, 본 논문에서는 이와 같은 거칠기를 갖는 해저 경계면에서 반사된 음파 신호를 배제하고, 해저 경계면을 투과한 음파가 퇴적물에서 산란된 체 적 후방 산란 신호를 획득하여 분석하였다. 이 후방산란 신호의 확률밀도함수 (R-obability Density Function, PDF) 를 구하여 그 PDF가 해저퇴적물의 특성에 따라 어떻게 달라지는 지를 연구하였다. 후방산란신호는 산란체의 통계적 변화에 따라 다양한 형태의 확률밀도함수를 보인다 [10], 이에 후방산란신호의 확률밀도함수를 비교함으로써 산란체의 특성을 분류할 수 있다.
이 가운데 수신기가 4번과 5번 위치에서는 기하학적으로 모래면에 의해서만 후방산란신호가 존재하고, 그 외의 지점에서는 벽면에 의해서만 존재한다. 이로 인해 본 연구에서는 산란체의 특성을 구분 지을 수 있는 모래 면에 의한 후방산란신호와 시멘트 벽 면에 의한 후방산란 신호를 나카가미 확률밀도함수로 나타내어 비교 분석하였다.
음향 자료의 경우, 나카가미 (Nakagami) 확률 분포, K-분포 등 음파산란체의 분포 및 물리적 특성에 따른 음향 신호의 특성 연구가 활발히 수행되고 있으며, 이러한 기법든을 음향측심기의 음향 자료에 적용하여 해저퇴적물 산란체의 특성을 파악한다면 해저퇴적물 분류가 가능하리라고 판단된다. 이를 위하여 본 논문에서는 다중 빔 음향 측심기와 천부 지층 탐사기를 이용하여 실험실과 실 해역에서 센서검 .교정 및 해저퇴적물 음파 산란 실험을 실시하여 획득한 음향 자료를 분석하였다.
이를 위해 수조 실험을 통해 사전 예비조사를 실시하였고, 실 해역에서의 해상 실험을 통해 연구를 수행하였다.
이상에서 살펴본 실험 과정을 토대로 나카가미 모델을 이용하여 확률밀도함수와 이에 영향을 미치는 나카가미변수 (m)을 계산하였다.
따르게 된다. 이에 각기 다른 물리적 특성을 갖는 해저 퇴적물을 샘플 채취한 지질학적 자료와 음향학적 실험을 통하여 얻어진 해저퇴적물의 음향산란신호의 나카가미확률밀도함수의 관계를 비교함으로써 해저퇴적물 분류를 시행하였다. 그 결과, 해저퇴적물의 물성이 다를 경우나카가미 확률밀도함수의 형태가 달라짐을 확인하였고, 또한 나카가미 확률밀도함수를 결정 짓는 나카가미 변수의 값들이 다르다는 것을 알게 되었다.
천부지층탐사기를 이용한 해양탄성파 반사법 탐사는 조사 선박에 의한 잡음을 최소화하기 위해 천부지층탐사기 센서와 신호를 수신하는 반사파 수신용 단채널 음향 수신기 (Single Channel Hydrophone Streamer)를 선박 후미에서 약 20 m 이상 최대한 이격시켜 조사를 수행하였다. 음원의 주파수는 1 kHz, 출력은 300 J, 선박의 속도는 5 kn, 자료의 송수신 간격을 0.
표층 퇴적물의 입도 특성을 파악하기 위하여 채취된 시료를 약 150 g씩 1000 ml 비커에 넣고 순수 쇄설성 퇴적 입자만 남도록 10%3] 묽은 과산화수소 但疝)와 24시간 동안 반응시켜 유기물을 완전히 제거시키고, 증류수로 염분과 분해된 유기물을 씻어 낸 후, 다시 1N 염산 (HC1)을 첨가하여 탄산염질 생물기원 물질을 완전히 제거하였다. 시약 처리된 시료는 4 0 (0.
해상실험에서 음향측심기를 이용할 경우에 미가공 신호를 획득할 수가 없고, 수조실험에서와 같이 따로 수신기 설치가 불가능하여 천부지층탐사기 (Squid 2000, Applied Acoustic Engineering Ltd., Great Yarmouth, NR, UK)를 이용하였다. 2006년 11 월 전라북도 군산 금강하구에서 해양탄성파 반사법 탐사가 수행되었고, 2007년 3월 태안반도 북쪽 해역에서 바다모래 지층분포조사 및 그랩 샘플러 (McIntyre grab sampler and Van Veen grab sampler)를 이용한 표층퇴적물 채취조사가 수행되었다.
성능/효과
이에 각기 다른 물리적 특성을 갖는 해저 퇴적물을 샘플 채취한 지질학적 자료와 음향학적 실험을 통하여 얻어진 해저퇴적물의 음향산란신호의 나카가미확률밀도함수의 관계를 비교함으로써 해저퇴적물 분류를 시행하였다. 그 결과, 해저퇴적물의 물성이 다를 경우나카가미 확률밀도함수의 형태가 달라짐을 확인하였고, 또한 나카가미 확률밀도함수를 결정 짓는 나카가미 변수의 값들이 다르다는 것을 알게 되었다. 이를 통해서 나카가미 변수 혹은 확률밀도함수의 분포를 통하여 해저 퇴적물의 물리적 특성을 분류하는 가능성을 제시였다.
5로 레일레이 분포에 가깝다. 다시 말해서 그림 4에서와 마찬가지로 산란체의 물리적 특성이 달라짐에 따라 후방산란신호의 나카가미 변수 (m) 와 나카가미 확률밀도함수의 분포 역시 달라짐을 확인할 수 있고, 이러한 현상을 이용하여 해저퇴적물의 물성에 따른 분포를 음향신호를 이용하여 추정할 수 있는 가능성을 보였다.
후속연구
본 연구를 바탕으로 다중빔 음향측심기나 측면주사 소나 등의 해저면 지형 탐사장비를 통해 해저퇴적층의 물리적 특성을 조사할 수 있는 보다 체계적이고 장기적인 연구가 필요하다.
이를 통해서 나카가미 변수 혹은 확률밀도함수의 분포를 통하여 해저 퇴적물의 물리적 특성을 분류하는 가능성을 제시였다. 이러한 연구는 비단 해저퇴적물의 물성에만 국한되지 않고, 현재 해저에 매몰되어 있는 기타 구조물 확인 작업에도 기여할 수 있다고 생각된다.
특히 표층 퇴적 양상을 밝히는 것은 향후 한반도 주변 대륙붕 연구를 위해 선행되어야 할 중요한 연구이다. 이와 같은 연구는 향후 해저 표층 퇴적 현황을 파악하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있고 심해저 및 대륙붕 해양자원 탐사 지역의 자원 특성을 파악하는데 도움이 되리라고 여겨진다.
이는 해저퇴적물 산란 신호가 퇴적물의 물리적 특성, 즉 평균입도, 분급, 공극률 등에 영향을 받기 때문에 음향 신호 처리 기법의 개발이야말로 해저퇴적물 분류를 위한 주요 연구라고 여겨진다. 특히 표층 퇴적 양상을 밝히는 것은 향후 한반도 주변 대륙붕 연구를 위해 선행되어야 할 중요한 연구이다. 이와 같은 연구는 향후 해저 표층 퇴적 현황을 파악하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있고 심해저 및 대륙붕 해양자원 탐사 지역의 자원 특성을 파악하는데 도움이 되리라고 여겨진다.
참고문헌 (22)
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