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문제 정의
- 본 논문에서는 수심 25 m 이내의 진해만에서 측정한 고주파 해저면 반사손실의 결과를 소개하고 실험 결과로 부터 상부 퇴적층이 고려된 해저면 반사손실의 주파수 종속성에 대하여 논한다 (그림 1). 해저면 반사 신호는 수평 입사각 82°부근에서 17-40 kHz 대역의 정현파 신호를 사용하여 획득하였고 측정된 반사손실은 레일리 반사 계수 모델과 비교, 분석하였다.
- 본 논문에서는 수심 25 m 이내의 진해만에서 측정한 고주파 해저면 반사손실의 결과를 소개하고 실험 결과로 부터 상부 퇴적층이 고려된 해저면 반사손실의 주파수 종속성에 대하여 논한다 (그림 1). 해저면 반사 신호는 수평 입사각 82°부근에서 17-40 kHz 대역의 정현파 신호를 사용하여 획득하였고 측정된 반사손실은 레일리 반사 계수 모델과 비교, 분석하였다.
제안 방법
- Chirp 소나와 코어 자료를 이용하여 실험 해역의 지형과 해저면 물성 (8,1,ø)을 파악하였다 [11].
- Chirp 소나와 코어 자료를 이용하여 실험 해역의 지형과 해저면 물성 (8.1을 파악하였다 [1U.
- 고주파수 대역의 다중 주파수 (17-40 kHz)를 이용하여 해저면 반사 신호를 측정하였고 측정된 반사손실은 평면 파를 가정한 이층 퇴적층 구조에서의 반사계수 모델과 비교하였다. 해상 실험은 무지향성 단일 송수신기를 이용하여 수심이 23 m 인 진해만에서 실시되었다.
- 음원은 펄스 길이가 2 ms 인 정현파 신호를 사용하였고 17-40 kHz (주파수 간격:50 Hz) 를 사용하여 1 초 간격으로 주파수별 신호를 송수신하였다. 동일한 해저면에 대한 주파수 종속성을 관측하기 위해서는 가능한 짧은 시간에 많은 주파수별 반사신호 획득이 요구되었기 때문에 본 실험에서는 주파수별 반사신호를 1 핑 (ping)씩 수신하였다. 수신 신호는 12비트 A/D 변환기 (샘플링 간격: 200 kHz)와 고주파 대역통과 필터를 거친후 컴퓨터에 저장되었다.
- 음원은 펄스 길이가 2 ms 인 정현파 신호를 사용하였고 17-40 kHz (주파수 간격:50 Hz) 를 사용하여 1 초 간격으로 주파수별 신호를 송수신하였다. 동일한 해저면에 대한 주파수 종속성을 관측하기 위해서는 가능한 짧은 시간에 많은 주파수별 반사신호 획득이 요구되었기 때문에 본 실험에서는 주파수별 반사신호를 1 핑 (ping)씩 수신하였다. 수신 신호는 12비트 A/D 변환기 (샘플링 간격: 200 kHz)와 고주파 대역통과 필터를 거친후 컴퓨터에 저장되었다.
- 반사손실의 주파수 종속성은 다층 구조가 존재하는 해저면일 경우 나타날 수 있으나 본 실험 환경 에서는 Chirp 소나 데이터로부터 해저면 내에 다층 구조의 존재를 확인하지 못하였다. 따라서 반사손실의 주파수 종속성은 해저면 내부의 다층 구조가 아닌 Chirp 소나 신호로부터 분리되지 못할 정도로 얇은 두께의 상부 미세 퇴적층의 존재에 의한 영향으로 추정하였으며 그에 따른 이층 구조을 고려할 수 있는 반사계수 모델을 적용하였다. 수층과 이층 구조에서의 레일리 반사 계수는 식 (1)과 같다 [13],
- 반사손실의 주파수 종속성은 다층 구조가 존재하는 해저면일 경우 나타날 수 있으나 본 실험 환경 에서는 Chirp 소나 데이터로부터 해저면 내에 다층 구조의 존재를 확인하지 못하였다. 따라서 반사손실의 주파수 종속성은 해저면 내부의 다층 구조가 아닌 Chirp 소나 신호로부터 분리되지 못할 정도로 얇은 두께의 상부 미세 퇴적층의 존재에 의한 영향으로 추정하였으며 그에 따른 이층 구조을 고려할 수 있는 반사계수 모델을 적용하였다. 수층과 이층 구조에서의 레일리 반사 계수는 식 (1)과 같다 [13],
- 2005년 5월 해저면 반사 신호를 획득하기 위한 음향실험이 수심이 23 m 인 남해 진해만 (35 °03, N 128° 43’ E)에서 실시되었다. 무지향성 센서 (Neptune, D17)와 단일 수신기 (Reson, TC4014)로 구성되어 있는 음향 시스템을 해저면으로부터 약 14 m 수심에 위치시켰으며 송신기와 수신기는 수평적으로 약 4.5 m 분리시킨 후 동일한 수심에 고정하였다 (그림 2 (a)). 음원은 펄스 길이가 2 ms 인 정현파 신호를 사용하였고 17-40 kHz (주파수 간격:50 Hz) 를 사용하여 1 초 간격으로 주파수별 신호를 송수신하였다.
- 2005년 5월 해저면 반사 신호를 획득하기 위한 음향실험이 수심이 23 m 인 남해 진해만 (35 °03, N 128° 43’ E)에서 실시되었다. 무지향성 센서 (Neptune, D17)와 단일 수신기 (Reson, TC4014)로 구성되어 있는 음향 시스템을 해저면으로부터 약 14 m 수심에 위치시켰으며 송신기와 수신기는 수평적으로 약 4.5 m 분리시킨 후 동일한 수심에 고정하였다 (그림 2 (a)). 음원은 펄스 길이가 2 ms 인 정현파 신호를 사용하였고 17-40 kHz (주파수 간격:50 Hz) 를 사용하여 1 초 간격으로 주파수별 신호를 송수신하였다.
- 반사손실의 주파수 종속성을 가장 잘 반영할 수 있는 상부 퇴적층의 지음향 인자는 실측 결과와 모의 결과의 유사도를 통해서 추정할 수 있다. 본 연구에서는 유사도를 나타내는 목적 함수 (objective function)를 설정 한후 몬테카를로 방법을 이용한 최적화 과정을 통해 상부 퇴적층의 지음향 인자를 추정하였다. 식 (3)은 사용된 목적 함수를 보여준다.
- 반사손실의 주파수 종속성을 가장 잘 반영할 수 있는 상부 퇴적층의 지음향 인자는 실측 결과와 모의 결과의 유사도를 통해서 추정할 수 있다. 본 연구에서는 유사도를 나타내는 목적 함수 (objective function)를 설정 한후 몬테카를로 방법을 이용한 최적화 과정을 통해 상부 퇴적층의 지음향 인자를 추정하였다. 식 (3)은 사용된 목적 함수를 보여준다.
- 입력 인자에 대한 이층 구조 반사 계수 모델의 상대적 영향을 파악하기 위한 모델 민감도 분석 (sensitivity analysis)이 실시되었고 관측 데이터가 없는 상부 퇴적층 4개의 인자에 대한 민감도만을 평가하였다. 실험 해역과 유사한 환경을 모의하기 위해서 수층 음속과 하부 퇴적층 구성 물질은 실측값인 1511 m/s와 코어 측정 결과인 8.
- 전자의 경우 예측된 반사손실이 실제보다 과대 평가되는 경향이 있으므로 본 논문에서는 후자의 방법을 사용하여 반사손실을 계산하였다. 적분 시간구간은 산란의 영향까지 충분히 고려할 수 있는 긴 시간 동안을 취하는 것이 적합하나, 주파수별 단 1 핑에 대한 수신신호만을 획득하였기 때문에 산란의 영향을 고려하는 데에는 어려움이 있으므로 펄스길이 보다 충분히 긴 구간이라 판단되는 3 ms에 대하여 적분을 수행하였다. 그러나 점토성 퇴적물로 구성되어 있는 해저면 특성상 사용 주파수의 파장에 비해 해저면 거칠기가 평탄하며, 산란의 영향보다는 반사의 영향이 훨씬 우세하므로 산란의 영향은 무시할수 있을 것으로 판단된다.
- 전자의 경우 예측된 반사손실이 실제보다 과대 평가되는 경향이 있으므로 본 논문에서는 후자의 방법을 사용하여 반사손실을 계산하였다. 적분 시간구간은 산란의 영향까지 충분히 고려할 수 있는 긴 시간 동안을 취하는 것이 적합하나, 주파수별 단 1 핑에 대한 수신신호만을 획득하였기 때문에 산란의 영향을 고려하는 데에는 어려움이 있으므로 펄스길이 보다 충분히 긴 구간이라 판단되는 3 ms에 대하여 적분을 수행하였다. 그러나 점토성 퇴적물로 구성되어 있는 해저면 특성상 사용 주파수의 파장에 비해 해저면 거칠기가 평탄하며, 산란의 영향보다는 반사의 영향이 훨씬 우세하므로 산란의 영향은 무시할수 있을 것으로 판단된다.
- 일반적으로 반사손실을 계산하는 방법은 수신 신호들의 최고값을 이용하는 방법과 수신신호의 음압 세기를 일정구간 내에서 시간 적분하여 계산하는 방법이 있다. 전자의 경우 예측된 반사손실이 실제보다 과대 평가되는 경향이 있으므로 본 논문에서는 후자의 방법을 사용하여 반사손실을 계산하였다. 적분 시간구간은 산란의 영향까지 충분히 고려할 수 있는 긴 시간 동안을 취하는 것이 적합하나, 주파수별 단 1 핑에 대한 수신신호만을 획득하였기 때문에 산란의 영향을 고려하는 데에는 어려움이 있으므로 펄스길이 보다 충분히 긴 구간이라 판단되는 3 ms에 대하여 적분을 수행하였다.
- 주파수별 반사손실 모의를 위해서 수층 음속과 밀도는 1511 m/s, 1.0 g/cm3를 적용하였고 하부 퇴적층의 음속과 감쇠계수는 코어 데이터로부터 측정된 1483 m/s와 0.09 dB/λ를 사용하였다.
- 해저면 반사 신호는 수평 입사각 82°부근에서 17-40 kHz 대역의 정현파 신호를 사용하여 획득하였고 측정된 반사손실은 레일리 반사 계수 모델과 비교, 분석하였다.
- 본 논문에서는 수심 25 m 이내의 진해만에서 측정한 고주파 해저면 반사손실의 결과를 소개하고 실험 결과로 부터 상부 퇴적층이 고려된 해저면 반사손실의 주파수 종속성에 대하여 논한다 (그림 1). 해저면 반사 신호는 수평 입사각 82°부근에서 17-40 kHz 대역의 정현파 신호를 사용하여 획득하였고 측정된 반사손실은 레일리 반사 계수 모델과 비교, 분석하였다.
- 해저면 반사손실은 송신기로부터 수신된 직접파 음압세기와 해저면으로부터 반사되어 수신된 반사파 음압 세기 차이에 직접파와 반사파 사이의 전달 손실을 보상하여 계산되었다. 일반적으로 반사손실을 계산하는 방법은 수신 신호들의 최고값을 이용하는 방법과 수신신호의 음압 세기를 일정구간 내에서 시간 적분하여 계산하는 방법이 있다.
대상 데이터
- 2005년 5월 해저면 반사 신호를 획득하기 위한 음향실험이 수심이 23 m 인 남해 진해만 (35 °03, N 128° 43’ E)에서 실시되었다. 무지향성 센서 (Neptune, D17)와 단일 수신기 (Reson, TC4014)로 구성되어 있는 음향 시스템을 해저면으로부터 약 14 m 수심에 위치시켰으며 송신기와 수신기는 수평적으로 약 4.
- 1 dB/λ, 두께 1-40 cm 대역으로 선정하였다. 실측 결과와 모의 결과의 최대 상관을 찾기 위해 몬테카를로 방법에 의해 랜덤하게 선정된 지음향 인자들로부터 50,000 번의 모델 실행을 수행한 후 계산된 목적함수 중 상위 0.1 %를 선별하였다. 상부 퇴적층의 최적 입력 인자는 음속 1550 m/s, 밀도 1.
- 1 dB/λ, 두께 1-40 cm 대역으로 선정하였다. 실측 결과와 모의 결과의 최대 상관을 찾기 위해 몬테카를로 방법에 의해 랜덤하게 선정된 지음향 인자들로부터 50,000 번의 모델 실행을 수행한 후 계산된 목적함수 중 상위 0.1 %를 선별하였다. 상부 퇴적층의 최적 입력 인자는 음속 1550 m/s, 밀도 1.
- 실험 해역 (35° 03' N128° 43 E)인 진해만은 반폐쇄성만으로 수심이 전반적으로 평탄하며 약 40 m 두께의 미사와 점토성 퇴적물로 쌓여있다 [8-11].
- 실험 해역 (35° 03' N128° 43 E)인 진해만은 반폐쇄성만으로 수심이 전반적으로 평탄하며 약 40 m 두께의 미사와 점토성 퇴적물로 쌓여있다 [8-11]. 음향 실험이 실시된 장소의 해저 퇴적물은 전반적으로 두께 4 m 까지 평균 입도 크기 8-8.
- 5 m 분리시킨 후 동일한 수심에 고정하였다 (그림 2 (a)). 음원은 펄스 길이가 2 ms 인 정현파 신호를 사용하였고 17-40 kHz (주파수 간격:50 Hz) 를 사용하여 1 초 간격으로 주파수별 신호를 송수신하였다. 동일한 해저면에 대한 주파수 종속성을 관측하기 위해서는 가능한 짧은 시간에 많은 주파수별 반사신호 획득이 요구되었기 때문에 본 실험에서는 주파수별 반사신호를 1 핑 (ping)씩 수신하였다.
- 5 m 분리시킨 후 동일한 수심에 고정하였다 (그림 2 (a)). 음원은 펄스 길이가 2 ms 인 정현파 신호를 사용하였고 17-40 kHz (주파수 간격:50 Hz) 를 사용하여 1 초 간격으로 주파수별 신호를 송수신하였다. 동일한 해저면에 대한 주파수 종속성을 관측하기 위해서는 가능한 짧은 시간에 많은 주파수별 반사신호 획득이 요구되었기 때문에 본 실험에서는 주파수별 반사신호를 1 핑 (ping)씩 수신하였다.
- 고주파수 대역의 다중 주파수 (17-40 kHz)를 이용하여 해저면 반사 신호를 측정하였고 측정된 반사손실은 평면 파를 가정한 이층 퇴적층 구조에서의 반사계수 모델과 비교하였다. 해상 실험은 무지향성 단일 송수신기를 이용하여 수심이 23 m 인 진해만에서 실시되었다. Chirp 소나와 코어 자료를 이용하여 실험 해역의 지형과 해저면 물성 (8,1,ø)을 파악하였다 [11].
데이터처리
- 실험 해역과 유사한 환경을 모의하기 위해서 수층 음속과 하부 퇴적층 구성 물질은 실측값인 1511 m/s와 코어 측정 결과인 8.1°를 적용하였고 지음향 역 추정 결과로 획득된 값들을 사용하여 계산하였다 (표 1).
- Chirp 소나와 코어 자료를 이용하여 실험 해역의 지형과 해저면 물성 (8,1,ø)을 파악하였다 [11]. 측정된 해저면 반사손실은 7 dB에서 32 dB 범위 내에서 주파수 종속성을 나타내 었으며, 이러한 결과는 이층 경계면 반사 모델과 비교, 분석 되었다. 해저면 반사손실의 주파수 종속성을 잘 반영할 수 있는 상부 퇴적층의 지음향 인자는 몬테카를로 방법을 이용하여 역추정되었다.
- Chirp 소나와 코어 자료를 이용하여 실험 해역의 지형과 해저면 물성 (8,1,ø)을 파악하였다 [11]. 측정된 해저면 반사손실은 7 dB에서 32 dB 범위 내에서 주파수 종속성을 나타내 었으며, 이러한 결과는 이층 경계면 반사 모델과 비교, 분석 되었다. 해저면 반사손실의 주파수 종속성을 잘 반영할 수 있는 상부 퇴적층의 지음향 인자는 몬테카를로 방법을 이용하여 역추정되었다.
이론/모형
- 그림 4는 상부 퇴적층 입력 인자의 모델에 대한 민감도를 민감도 지수로 정량화하여나타낸 결과이다. 민감도 지수 (sensitivity index)는 가상 해양 환경에서 주파수 (17-40 kHz)별 반사손실을 모의한 결과와 상부 퇴적층의 입력 인자를 선정된 범위 내에서 변화시키며 계산된 결과의 상관계수를 이용하였다[14,15]. 민감도 지수는 1 에 가까울수록 입력 인자에 대한 모델의 민감도가 크다는 것을 의미한다.
- 그림 4는 상부 퇴적층 입력 인자의 모델에 대한 민감도를 민감도 지수로 정량화하여나타낸 결과이다. 민감도 지수 (sensitivity index)는 가상 해양 환경에서 주파수 (17-40 kHz)별 반사손실을 모의한 결과와 상부 퇴적층의 입력 인자를 선정된 범위 내에서 변화시키며 계산된 결과의 상관계수를 이용하였다[14,15]. 민감도 지수는 1 에 가까울수록 입력 인자에 대한 모델의 민감도가 크다는 것을 의미한다.
- 09 dB/λ를 사용하였다. 하부 퇴적층의 밀도는 평균 입도 크기와 밀도에 대한 관계식을 이용하였다 [1],
- 측정된 해저면 반사손실은 7 dB에서 32 dB 범위 내에서 주파수 종속성을 나타내 었으며, 이러한 결과는 이층 경계면 반사 모델과 비교, 분석 되었다. 해저면 반사손실의 주파수 종속성을 잘 반영할 수 있는 상부 퇴적층의 지음향 인자는 몬테카를로 방법을 이용하여 역추정되었다. 이층 경계면 반사 모델을 이용하여 역추정된 최적 상부 퇴적층의 지음향 인자는 음속 1550 m/s, 밀도 1.
성능/효과
- 1 dB/λ, 두께 6 cm 였으나 상부 퇴적층 두께를 제외한 지음향 인자들은 반사손실의 주파수 종속성에 민감도가 크게 떨어졌다. 따라서 이층 구조 퇴적층의 지음향 인자 중 퇴적층의 두께가 고주파 반사손실의 주파수 종속성에 가장 큰영향을 주는 인자임을 확인할 수 있었다. 측정 오차를 야기 시킬 수 있는 요인으로는 시스템 불안정성에 기인하는 시스템 오차, 실시간으로 변화하는 해수면 변화에 따른 송수신 위치 불안정에서 오는 기하힉적 오차, 랜덤 거칠기를 갖는 해저면 반사로부터 야기 되는 랜덤신호 오차 등이 있다.
- 1 dB/λ, 두께 6 cm 였으나 상부 퇴적층 두께를 제외한 지음향 인자들은 반사손실의 주파수 종속성에 민감도가 크게 떨어졌다. 따라서 이층 구조 퇴적층의 지음향 인자 중 퇴적층의 두께가 고주파 반사손실의 주파수 종속성에 가장 큰영향을 주는 인자임을 확인할 수 있었다. 측정 오차를 야기 시킬 수 있는 요인으로는 시스템 불안정성에 기인하는 시스템 오차, 실시간으로 변화하는 해수면 변화에 따른 송수신 위치 불안정에서 오는 기하힉적 오차, 랜덤 거칠기를 갖는 해저면 반사로부터 야기 되는 랜덤신호 오차 등이 있다.
- 1。를 적용하여 예측하였다. 예측된 반사손실은 24 dB 로 주파수 독립적인 반면, 측정된 반사손실은 7-32 dB 범위 내에서 주파수 종속성을 보였다. 반사손실의 주파수 종속성은 다층 구조가 존재하는 해저면일 경우 나타날 수 있으나 본 실험 환경 에서는 Chirp 소나 데이터로부터 해저면 내에 다층 구조의 존재를 확인하지 못하였다.
- 민감도 지수는 1 에 가까울수록 입력 인자에 대한 모델의 민감도가 크다는 것을 의미한다. 이 결과로부터 반사손실의 주파수 종속성은 상부 퇴적층의 음속, 밀도, 감쇠계수 보다 표층의 두께 변화에 상대적으로 민감함을 알 수 있다.
- 이층 경계면 반사 모델을 이용하여 역추정된 최적 상부 퇴적층의 지음향 인자는 음속 1550 m/s, 밀도 1.22 g/cm3, 감쇠계수 0.1 dB/k, 두께 6 cm 였으나 상부 퇴적층 두께를 제외한 지음향 인자들은 반사손실의 주파수 종속성에 민감도가 크게 떨어졌다.
- 10 kHz 이상의 고주파수 대역에서는 해저면의 감쇠 손실이 크기 때문에 해저면내 투과성이 낮아지고 해저면 거칠기 및 기울기와 상부퇴적층내의 체적 비균질성에 의한 산란의 영향이 해저면내 체적 특성과 층서구조에 의한 영향보다 상대적으로 중요해진다 [7], 하지만 해저면 감쇠 손실은 해저면 상부에 음향 임피던스가 다른 매질의 층이 음파의 파장에 비해 그리 크지 않는 두께로 존재할 경우 고주파 대역에서도 해저면내 다층 구조의 영향이 고려되어야 한다. 즉' 해저면 상부에 존재하는 층의 두께가 음파의 파장에 비해 상대적으로 큰 경우에는 퇴적층내의 감쇠 현상으로 인하여 해저면 반사에 큰 영향을 주지 않지만 파장이 약 15 cm 이하인 10 kHz 이상의 고주파수에 대해서 수 센티미터 두께의 층은 음파 에너지의 반사와 투과에 큰 영향을 줄수 있다. Mourad 와 Jackson 은 고주파를 사용한 경우에서도 상부 퇴적층이 고려된 반사 및 산란 모델의 필요성을 제안하였으며 [3], Lyons 와 Orsi 는 X-ray를 이용하여 해저면 코어의 밀도를 측정한 후 밀도가 변화하는 얇은 층에 대한 반사손실과 후방산란강도를 수치적으로 계산하였다.
후속연구
- 그러나 이러한 오차들은 일정 상수값으로 편중 (bias)되기 보다는 평균값을 중심으로 일정 범위에 분포되므로 50 Hz 간격으로 측정되었음에도 불구하고 실측된 반사손실 값에 변이 (variance)가 보이는 것은 이러한 오차들의 영향이 우세할 것으로 판단된다. 또 다른 원인은 체적내의 미세구조에 의한 산란 영향도 포함될 수있을 것이나, 이러한 요소들에 의한 영향은 본 논문의 주제에 벗어나며, 추 후 연구될 수 있을 것이다.
- 그러나 이러한 오차들은 일정 상수값으로 편중 (bias)되기 보다는 평균값을 중심으로 일정 범위에 분포되므로 50 Hz 간격으로 측정되었음에도 불구하고 실측된 반사손실 값에 변이 (variance)가 보이는 것은 이러한 오차들의 영향이 우세할 것으로 판단된다. 또 다른 원인은 체적내의 미세구조에 의한 산란 영향도 포함될 수있을 것이나, 이러한 요소들에 의한 영향은 본 논문의 주제에 벗어나며, 추 후 연구될 수 있을 것이다.
- 측정 오차를 야기 시킬 수 있는 요인으로는 시스템 불안정성에 기인하는 시스템 오차, 실시간으로 변화하는 해수면 변화에 따른 송수신 위치 불안정에서 오는 기하힉적 오차, 랜덤 거칠기를 갖는 해저면 반사로부터 야기 되는 랜덤신호 오차 등이 있다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 반복 측정을 수행한 후 이를 음압 세기 평균 (intensity average)하는 과정이 필요하나 본 연구에서는 주파수 별로 한번의 송수신만을 실시하였으며, 이로 인해 측정된 반사손실에는 측정오차가 포함되어 있을 것으로 판단된다. 그러나 이러한 오차들은 일정 상수값으로 편중 (bias)되기 보다는 평균값을 중심으로 일정 범위에 분포되므로 50 Hz 간격으로 측정되었음에도 불구하고 실측된 반사손실 값에 변이 (variance)가 보이는 것은 이러한 오차들의 영향이 우세할 것으로 판단된다.
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