연안에서 목적으로 하는 어업에 적합하도록 소형 어군탐지기를 효율적으로 설계하고 평가할 수 있는 방법에 대해 검토하기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 어군탐지기의 특성과 탐지범위 등에 대해 조사하였다. 먼저 일반적인 어군탐지기의 빔폭은 주파수와 송신전력이 상승함에 따라 좁아지고 송수파기의 직경은 송신전력이 증가함에 커지는 경향을 보였다. 이 특성을 이용하여 상업적으로 사용되는 일반적인 어군탐지기의 신호대 잡음비를 유도하였다. 탐지거리와 탐지폭으로 구성되는 탐지범위는 이 신호대 잡음비(SN비)로부터 얻을 수 있다. 탐지거리는 주파수의 증가와 함께 증가하였지만 고주파에서는 흡수계수의 영향으로 원거리 탐지가 어려워진다. 즉 송수파기 직경, 송신전력의 증가에 따른 효과는 저주파에서는 크고, 고주파에서는 적은 경향을 보인다. 탐지범위 등을 종합적으로 응용하여 휴대용 어군탐지기의 설계 범용도를 작성하였다. 범용도에는 SN비를 송수파기의 직경, 빔폭, 탐지거리를 변수로하여 주파수에 대해 표시하였다. 범용도에서 SN비가 높고 실용성이 높은 적절한 설계영역을 표시하였다. 설계영역에서 설계점을 정하면 전체적으로 적절한 설계를 할 수 있다. 설계범용도는 어군탐지기의 성능평가에도 응용할 수 있다.
연안에서 목적으로 하는 어업에 적합하도록 소형 어군탐지기를 효율적으로 설계하고 평가할 수 있는 방법에 대해 검토하기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 어군탐지기의 특성과 탐지범위 등에 대해 조사하였다. 먼저 일반적인 어군탐지기의 빔폭은 주파수와 송신전력이 상승함에 따라 좁아지고 송수파기의 직경은 송신전력이 증가함에 커지는 경향을 보였다. 이 특성을 이용하여 상업적으로 사용되는 일반적인 어군탐지기의 신호대 잡음비를 유도하였다. 탐지거리와 탐지폭으로 구성되는 탐지범위는 이 신호대 잡음비(SN비)로부터 얻을 수 있다. 탐지거리는 주파수의 증가와 함께 증가하였지만 고주파에서는 흡수계수의 영향으로 원거리 탐지가 어려워진다. 즉 송수파기 직경, 송신전력의 증가에 따른 효과는 저주파에서는 크고, 고주파에서는 적은 경향을 보인다. 탐지범위 등을 종합적으로 응용하여 휴대용 어군탐지기의 설계 범용도를 작성하였다. 범용도에는 SN비를 송수파기의 직경, 빔폭, 탐지거리를 변수로하여 주파수에 대해 표시하였다. 범용도에서 SN비가 높고 실용성이 높은 적절한 설계영역을 표시하였다. 설계영역에서 설계점을 정하면 전체적으로 적절한 설계를 할 수 있다. 설계범용도는 어군탐지기의 성능평가에도 응용할 수 있다.
The expression of signal to noise ratio (SNR) is derived for the individual echo sounder and for the general specifications of commercial echo sounder. The SNR is depicted by several factors on transmitting and receiving, sound propagation, scattering by fishes, and mainly self ship noise. The detec...
The expression of signal to noise ratio (SNR) is derived for the individual echo sounder and for the general specifications of commercial echo sounder. The SNR is depicted by several factors on transmitting and receiving, sound propagation, scattering by fishes, and mainly self ship noise. The detection ranges of echo sounders in depth and breadth are derived by finding the border of an acceptable SNR. The detection ranges are computed for the echo sounders of individual and general specifications. Generally, the detection range is lager for low frequencies. Increasing an electrical power and a diameter of transducer is not as effective for high frequencies as for low frequencies to increase the detection range. The theoretical results of the detection range can be applied to design low electrical power echo sounder for coastal use, to select an appropriate echo sounder, to know the capability of a sounder, and to interpret echograms. A method for evaluating and designing low electrical power echo sounder is developed. A universal diagram for the basic design of the low electrical power echo sounder where SNR is plotted against frequency is developed. An appropriate frequency, transducer diameter, and beam width are easily determined by using the diagram.
The expression of signal to noise ratio (SNR) is derived for the individual echo sounder and for the general specifications of commercial echo sounder. The SNR is depicted by several factors on transmitting and receiving, sound propagation, scattering by fishes, and mainly self ship noise. The detection ranges of echo sounders in depth and breadth are derived by finding the border of an acceptable SNR. The detection ranges are computed for the echo sounders of individual and general specifications. Generally, the detection range is lager for low frequencies. Increasing an electrical power and a diameter of transducer is not as effective for high frequencies as for low frequencies to increase the detection range. The theoretical results of the detection range can be applied to design low electrical power echo sounder for coastal use, to select an appropriate echo sounder, to know the capability of a sounder, and to interpret echograms. A method for evaluating and designing low electrical power echo sounder is developed. A universal diagram for the basic design of the low electrical power echo sounder where SNR is plotted against frequency is developed. An appropriate frequency, transducer diameter, and beam width are easily determined by using the diagram.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 연안에서 사용할 수 있는 소형 저출력 어군탐지기를 효율적으로 설계하고 평가할 수 있는 방법을 개발하였다. 소형 어군탐지기를 단순히 어군의 탐색에만 이용하는 것이 아니라, 소형 경량으로 휴대할 수 있으며 탐지거리가 짧지만 변수의 정확한 이해에 의해 정량화할 수 있는 방법으로 하였다.
또한 송수파기의 반경과 송신전력의 관계가 주파수에 의해 어떤 특성을 가지는지를 검토하였다. 어군탐지기에서는 일반적으로 SN비를 크게 하기 위하여 송신전력을 높게 하지만 너무 높게 하면 캐비테이션이 발생하게 된다.
이러한 원인 등에 의해 어군탐지기의 탐지범위 검토 및 설계 부분에서 송신전력을 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 연안에서 사용할 수 있는 소형 어군탐지기의 설계에 주목하여 송신전력을 고려한 설계방법을 개발하였다.
여기에서는 이러한 설계방법을 응용함과 동시에 본 연구에서 검토한 탐지범위 등을 종합적으로 고려하여 연안에서 사용할 수 있는 소형 어군탐지기의 설계방법을 개발한다.
이상 연안에서 목적에 맞게 사용할 수 있는 소형 어군탐지기의 설계방법에 대해서 검토하였다. 어군탐지기는 종래의 수산자원 측정을 위해 개발된 이후 최근에는 휴대용으로 개발되어 연안에서 레크리에이션에도 폭넓게 이용되고 있다.
가설 설정
3은 송수파기의 직경 2a와 주파수 7의 변화에 의한 탐지범위의 변화를 나타낸 것이다. TS 값은 체장 14cm인 어류에 해당하는 값 -43dB를 가정하였으며(古澤, 1990), 송신전력은 소형 어군탐지기를 고려하여 0.5kW로 하였다. 가로축이 탐지폭, 세로축이 탐지거리이며, 축적비를 동일하게 하였다.
제안 방법
5에는 필요한 SN비, 실용적인 송수파기의 직경 및 빔폭, 허용할 수 있는 계측오차를 경계로하여 적당한 설계영역을 검정색으로 중복 표시하였다. SN비는 OdB 이상, 송수파기의 직경은 1cm~32cm, 빔폭은 5°-80°, 주파수는 위에서 설명한 범위를 초과하지 않도록 하였다. 각각의 설계 범위는 각각의 측정거리에 대해 적절한 주파수, 직경, 빔폭의 영역을 나타내고 있다.
대해서 설명한다. SN비를 설명하기 위하여 SI 기본단위와 유도단위를 사용하였으며, 일부에서 계산의 편의를 위하여 공학단위와 SI 접두어를 사용하였다. SI 접두어와 공학 단위를 사용한 값에 대해서는 본문에 단위를 나타내었다.
따라서 수산자원 측정을 위한 어군탐지기의 설계에서는 SN비를 크게 하기 위하여 캐비테이션의 발생시점을 고려하여 설계방법을 개발하였다. 이 경우 Fig.
또한, (7)식의 SN비에는 주파수, 송수파기의 반경 등 변수가 많아 복잡하다. 따라서 어군탐지기의 현상에서 분석된 자료를 이용하여 간략한 일반적인 어군탐지기의 SN비를 유도하여 어군탐지기의 탐지범위를 계산하였다. 여기에서도 연안에서 사용할 수 있는 소형 어군탐지기의 변수 값을 고려하여 탐지범위를 계산하였다.
또한 송신전력은 휴대용으로 사용할 경우에는 전지의 수명을 단축시키는 가장 큰 원인이 되기도 한다. 따라서 저자는 앞선 연구(박, 2005에서와는 달리 소형 어군탐지기의 변수 값을 고려하여 탐지범위를 계산하였다. (7)식에서 SN비는 주파수 f, 송신전력 W,송수파기의 반경 a 등에 크게 의존하기 때문에 어군탐지기의 고유사양인 f, a, W의 변화에 따라 탐지범위를 검토하였다.
SI 접두어와 공학 단위를 사용한 값에 대해서는 본문에 단위를 나타내었다. 또한 본 논문에서는 반사체의 방사 강도(Target Strength : TS), 지향성이득, SN비, 잡음스펙트럼계수의 선형값에 대응하는 두 개의 문자를 대문자로 변환하여 데시벨값으로 나타내었다. 즉 TS의 선형값을 Ts, 데시벨값을 7S와 같이 통일하였다.
일반적으로 사용하고 있는 어군탐지기의 특성에 대해 조사한 후 기존의 방법(박, 2005)에 소형 어군탐지기의 변수를 대입하여 탐지범위를 검토하였다. 또한 이 탐지범위를 이용하여 소형 저출력 어군탐지기의 설계방법을 개발하였다.
보통 단체 에코의 SN비가 가장 작기 때문에 설계단계에서는 (7)식을 이용하였다. 또한 탐지범위의 검토 결과를 종합적으로 이용하여 설계방법을 개발하였다.
본 연구의 어군탐지기 설계에서는 주파수의 상한과 하한을 결정할 때 TS에 대한 영향을 고려하지 않았다. 일반적으로 수산자원 측정을 위한 어군탐지기에서는 보다 정량적으로 측정하기 위하여 주파수의 상한과 하한을 결정할 때 TS가 주요한 변수로 작용한다.
소형 어군탐지기를 단순히 어군의 탐색에만 이용하는 것이 아니라, 소형 경량으로 휴대할 수 있으며 탐지거리가 짧지만 변수의 정확한 이해에 의해 정량화할 수 있는 방법으로 하였다. 일반적으로 사용하고 있는 어군탐지기의 특성에 대해 조사한 후 기존의 방법(박, 2005)에 소형 어군탐지기의 변수를 대입하여 탐지범위를 검토하였다.
따라서 어군탐지기의 현상에서 분석된 자료를 이용하여 간략한 일반적인 어군탐지기의 SN비를 유도하여 어군탐지기의 탐지범위를 계산하였다. 여기에서도 연안에서 사용할 수 있는 소형 어군탐지기의 변수 값을 고려하여 탐지범위를 계산하였다.
어군탐지기는 종래의 수산자원 측정을 위해 개발된 이후 최근에는 휴대용으로 개발되어 연안에서 레크리에이션에도 폭넓게 이용되고 있다. 종래의 수산자원 측정을 위한 어군탐지기에서는 원거리 탐지가 가능하도록 송신전력을 크게 하기 위하여 (11)식의 캐비테이션 발생시점을 계산하여 어군탐지기를 설계하였다. 그러나 레크리에이션에 이용되는 소형 어군탐지기의 경우에는 휴대하기 편하고 전지를 사용하여 긴 시간동안 사용할 수 있도록 송수파기의 직경을 작게 하고 송신전력을 낮게 설계하고 있다.
대상 데이터
표식을 채운 A사와 표식을 채우지 않은 B사의 어군탐지기는 주파수와 전기출력에 따라 다양한 빔폭을 가지고 있음을 알 수 있다. A사의 제품은 송수파기의 반경으로부터 빔폭을 계산하였고, B사의 제품은 제품사양에 포함되어 있는 빔폭을 이용하였다. 빔폭 Bw는 지향성 주축으로부터 감도가 3dB 떨어진 곳에서의 각도의 폭으로 주파수와 송수파기 반경에 반비례하여 다음과 같이 간략식으로 나타낼 수 있다(古澤, 1990).
시판되고 있는 어군탐지기의 주파수, 송신전력, 빔폭의 특성을 어군탐지기 제작회사로부터 수집, 청취하여 Fig. 1에 나타내었다. 표식을 채운 A사와 표식을 채우지 않은 B사의 어군탐지기는 주파수와 전기출력에 따라 다양한 빔폭을 가지고 있음을 알 수 있다.
이론/모형
지향성 함수는 계산을 간단히 하기 위해 Hamilton etal.(1977)에 의한 다음의 간략식을 이용하였다.
영향을 받는다. 선박잡음은 선박의 종류, 선속, 송수파기의 설치방법, 해황 등에 의해 변하여 복잡하지만(Mitson 1995), 본 연구에서는 西村(1969)에 의해 단순화된 다음의 잡음스펙트럼 레벨을 이용한다.
소형 어군탐지기를 단순히 어군의 탐색에만 이용하는 것이 아니라, 소형 경량으로 휴대할 수 있으며 탐지거리가 짧지만 변수의 정확한 이해에 의해 정량화할 수 있는 방법으로 하였다. 일반적으로 사용하고 있는 어군탐지기의 특성에 대해 조사한 후 기존의 방법(박, 2005)에 소형 어군탐지기의 변수를 대입하여 탐지범위를 검토하였다. 또한 이 탐지범위를 이용하여 소형 저출력 어군탐지기의 설계방법을 개발하였다.
5kHz, ρ-1025kg/m, c=1500m/s, η=50%의 값을 사용하였다. 흡수계수 α는 Francois and Garrison(1982)의 식에 의해 계산하였다. 여기에 필요한 변수의 값은 염분농도 34psu, 수온 15℃, pH 8, 심도 50m인 평균적인 값을 사용하였다.
성능/효과
특히 저주파에서는 탐지거리 차가 크지만 고주파에서는 매우 작다. 또한 고주파에서는 W를 크게 하여도 저주파보다 효과가 크지 않지만 수산자원 측정용 어군탐지기보다는 고주파 쪽에서도 0에 의한 효과가 있음을 알 수 있었다.
음을 발사할 때 (2)식의 송파음압과 음을 수신할 때 (4)식의 잡음음압은 송수파기의 지향성이득 DI에 의해 SN비가 증가한다. 반경 a인 원형 송수파기의 경우 k(-2π/λ, λ는 파장)를 파수라 하면 지향성이득은 다음 식으로 근사한다(Clay and Medwin, 1997).
또한 50kHz에서는 2a가 커도 탐지범위를 크게 할 수 없지만, 200kHz에서는 2a가 작아도 탐지범위를 크게 할 수 있다. 저출력 소형 어군탐지기에서 원거리 탐지, 장수명, 휴대의 편의성 등을 위하여 송수파기의 직경을 작게 하며 고주파를 사용하는 이유를 알 수 있었다.
후속연구
이와 같이 휴대용 어군탐지기에서 송신전력과 수명과의 관계는 아직까지 이론 되어 지지 못했다. 보다 효율적으로 설계하고 평가하기 위해서는 앞으로의 연구가 기대된다.
따라서 소형 어군탐지기에서는 (2)식의 송신전력을 이용하였다. 소형 어군탐지기에 대해 보다 실용적으로 설계할 수 있으며, 평가할 수 있을 것이라 생각된다.
최대팀지거리를 200m까지 늘리기 위해서는 송신전력을 높게 하고, 주파수를 낮게 하며, 빔폭을 좁고, 송수파기의 직경을 크게 해야 하기 때문에 이 경우에는 어군탐지기가 대형이 되어 수산자원 측정용 어군탐지기의 설계방법에 따라 개발하는 것이 유리하다고 생각된다. 이상의 이론에 의해 200m 이천의 연안에서 목적에 맞게 사용할 수 있는 어군탐지기의 설계를 할 수 있다.
참고문헌 (16)
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