[논문]펄스압축기법을 이용한 활어 개체어에 대한 광대역 음향산란신호의 분석 및 식별

이대재; 강희영; 곽민선

doi:10.5657/kfas.2015.0207

펄스압축기법을 이용한 활어 개체어에 대한 광대역 음향산란신호의 분석 및 식별
Analysis and Classification of Broadband Acoustic Echoes from Individual Live Fish using the Pulse Compression Technique 원문보기

한국수산과학회지 = Korean journal of fisheries and aquatic sciences, v.48 no.2, 2015년, pp.207 - 220

이대재 (부경대학교 해양생산시스템관리학부) , 강희영 (국립해양조사원 수로측량과) , 곽민선 (신아종합)

Abstract ▼ AI-Helper

This study identified the species-specific, frequency-dependent characteristics of broadband acoustic scattering that facilitate classifying fish species using the pulse compression (PC) technique. Controlled acoustic scattering laboratory experiments were conducted with nine commercially important fish species using linear chirp signals (95-220 kHz) over an orientation angle range of ${\pm}45^{\circ}$ in the dorsal plane at approximately $1^{\circ}$ increments. The results suggest that the angular-dependent characteristics of the broadband echoes and the frequency-dependent variability in target strength (TS) were useful for inferring the fish species of interest. The scattering patterns in the compressed pulse output were extremely complex due to morphological differences among fish species, but the x-ray images strongly suggested that spatial separation correlated well with scattering for the head, skeleton, bone, otoliths, and swim bladder within each specimen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 어족생물의 형상, 이석(otolith)을 포함하는 내부조직, 부레의 유무 등과 같은 생태학적 차이에 따른 음향산란신호의 변동특성을 정량적으로 분석, 고찰하기 위한 목적으로, 9개의 어종을 대상으로 95-220 kHz의 주파수 대역에서 측정한 chirp 산란신호의 진폭 및 주파수 스펙트럼(spread spectrum)의 자세각 의존성을 분석하고, 또한, 펄스압축기술을 통해 추출된 chirp echo 응답패턴을 바탕으로 어종식별과 관련된 어체 내부에 대한 산란요소(scattering feature)의 분포패턴 등을 분석, 고찰하였다.

제안 방법

Fig. 5에서 (a)는 실험수조에 어류가 존재하지 않는 상태에서 측정한 chirp 펄스의 직접파 신호로서, 본 연구에서는 이 신호를 기준신호(replica)로 이용하여 각 어종의 개체어로부터 얻어진 chirp 산란신호의 펄스압축처리를 수행하였다. (b)는 불볼락의 head-down −12.
2 m)의 한쪽 벽면에 나란히 설치하였다. chirp 산란신호의 계측은 0.02%의 MS-222 (sigma chemical, Canada)로서 마취시킨 활어 개체어를 송∙수신 광대역 음향변환기의 음축상 약 1.2 m 거리에 나이론 monofilament (Ø=0.3 mm)를 사용하여 현수시키고, 어체의 등쪽이 진동면과 수평이 되도록 깊이와 자세를 정밀하게 조정하면서 수행하였다. 즉, 회전장치(turn table)를 제어하여 ±45° pitch 범위(+: head up, -: head down)에 대한 몸체(fish body)의 경사상태와 신호변동의 연속성 등을 확인하면서 +45°, 0°, −45°의 순서로 pitch 각 변화에 따른 산란신호의 변동을 약 1° 간격으로 측정하였다.
6(a)에 나타낸 산란신호의 진폭 및 주파수 응답 특성은 펄스폭, 주파수 대역폭에 따라 공간거리 분해능이 변화하기 때문에 각 어종별 어체 내부조직의 차이에 기인하는 산란 신호의 생성 메커니즘을 정량적으로 분석하기 위해서는 매우 넓은 주파수 대역폭을 확보할 필요가 있다. 본 연구에서는 125 kHz (95-220 kHz)의 주파수 대역에 대한 산란신호를 펄스압축처리하여 고분해능의 2차원 산란 맵(2D scattering map)을 작성하고, 이를 토대로 산란신호의 주파수 및 자세각 의존성을 종합적으로 분석하였는데, 그 결과는 Fig. 7~Fig.
실험은 임의파형발생기의 메모리에 저장되어 있는 up-chirp 펄스를 호출하여 출력전압과 주파수 대역을 각각 400 mV, 90-280 kHz로 조정하여 전력증폭기(2713, B&K, Denmark)를 거쳐 40 dB로 증폭한 후, 이 신호를 정합회로(matching network)를 경유하여 광대역 초음파 변환기(R203, Airmar, USA)에 공급하였는데, 그 chirp 송신 펄스신호의 시간주파수 응답특성은 Fig
특히, 쥐노래미는 부레의 유무에 따른 어류의 음향학적 산란특성의 차이를 비교, 분석하기 위한 비교대상 어종으로 선택되었다. 이와 같이 선택된 실험어류의 형태학적 특징은 X-ray 장치(SMS-CM, Sewha Medical System, Korea)을 사용하여 부레를 포함하는 어체 내부조직에 대한 영상을 측면과 복부 방향에서 촬영하였다. chirp 어군탐지기를 사용하여 광대역 음향산란특성의 자세각 및 주파수 의존성을 분석하기 위해서는 부레의 유무 및 부레의 형상과 자세각 등에 대한 정보가 필요하다(Clay and Horne, 1994).

대상 데이터

본 연구에서 사용한 실험어류는 부레를 갖는 부세(Larimichthys crocea), 고등어(Scomber japonicus), 전어(Konosirus punctatus), 자리돔(Chromis notata notata), 말쥐치(Thamnaconus modestus [K]), 조피볼락(Sebastes schlegeli), 불볼락(Sebastes thompsoni), 돌돔(Oplegnathus fasciatus)과 부레를 갖지 않은 쥐노래미(Hexagrammos otakii) 등으로서 모두 9개 어종이고, 실험은 이들 어종을 대상으로 각각 1마리씩에 대하여 수행하였고, 그 형태학적 특성은 Table 1에 나타내었다. 이들 어종은 우리나라에서 상업적으로 매우 중요한 어족생물로서, 연근해 및 연안 어업의 주요 어획대상 어종이다.

성능/효과

Fig. 4의 X-ray 영상에서 알 수 있는 바와 같이 실험 당시 돌돔은 마취된 상태에서도 등지느러미가 강하게 돌출된 상태로 있었기 때문에 이것에 의한 산란성분이 부레에 의한 echo 응답의 전방에 미약하게 출현하였다. 이와 같이 돌돔의 경우에는 등지느러미, 부레, 두개골 조직 등에 의한 echo 응답이 서로 분리되어 나타나고 있는 것으로부터 이들 요소는 서로 독립적으로 echo 생성에 기여하고 있는 것으로 판단된다.
7~Fig. 9에서 산란신호의 진폭, 주파수 스펙트럼 및 반사강도에 대한 자세각 의존성은 고등어의 경우, 부세에 비해 더 좁은 자세각 범위와 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 집중되어 나타나고 있음을 알 수 있었다. 이것은 Fig.
즉, 두개골 조직과 부레에 의한 echo 응답특성이 자세각 0°를 기준으로 상하로 교차하면서 서로 다른 궤적패턴을 나타내었는데, 이것은 서로 인접하고 있는 두 개의 음향산란요소에 의한 echo 변동 패턴과 매우 유사하다. 따라서, 말쥐치의 경우에는 어체 내부에 두 개의 우세한 음향산란요소, 즉, 두개골 조직과 부레가 존재하지만, 두개골 조직의 산란강도는 부레에 비해 매우 미약한 패턴을 나타내었다. 이와 같은 현상은 Fig.
5(b)의 산란파형과 비교하여 공간거리 분해능과 SNR이 매우 향상되었지만, matched filter의 출력신호에는 많은 측엽들이 나타나고 있는데, 이것은 chirp 어군탐지기의 echogram에 허상을 유발시키는 요인이 되므로 제거할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 matched filter의 출력, 즉 압축된 echo 응답신호에 나타나는 측엽 레벨을 억제시킬 목적으로 역 필터링 처리를 통해 스펙트럼 패턴을 성형하였는데, 그 결과는 Fig. 6과 같다.
4에서 알 수 있는 바와 같이 고등어의 부레가 반달 모양으로서 음파가 부레 경사면에 수직 입사할 때, 부레의 위쪽과 아래쪽 사이의 공간간격이 부세에 비해 약 17% 정도 더 넓어 이들 두 임피던스의 불연속 경계면에서 생성되는 산란신호의 간섭이 더 긴 시간 동안 지속되었기 때문이다. 반면, 부세에 대한 산란신호의 자세각 의존성은 고등어와 반대로 더 넓은 자세각 범위와 더 좁은 주파수 범위에 강하게 집중되어 있음을 알 수 있었다. 이것은 부레의 위쪽과 아래쪽의 두 불연속 경계면에 대한 공간간격이 고등어 보다 좁아 산란신호의 간섭지속시간이 짧았고, 또한, 부레의 길이가 고등어 보다 길어 자세각의 변화에 대한 응답이 더 넓은 범위에 걸쳐 나타났기 때문이다.
또한, 주파수 스펙트럼 역시 시간응답특성과 거의 동일한 위치각 범위의 120-180 kHz의 주파수 구간에서 강한 응답특성을 나타내었다. 이로부터 쥐노래미의 산란신호에 대한 진폭 및 주파수 응답특성은 수직입사방향, 즉, 등쪽 부근의 좁은 입사각 범위에 제한되어 나타나고 있음을 알 수 있었다. 이와 같은 응답특성은 쥐노래미의 두개골, 척추 뼈, 육질조직 및 이석 등과 같은 어체 내부조직 상호간의 밀도 차(density contrast) 및 음속 차(sound speed contrast)가 매우 미소하기 때문에 산란성분의 중첩이 수직입사 방향에 집중되어 나타나는 것으로 판단된다.

후속연구

5(b)와 Fig. 6(a)에 나타낸 산란신호의 진폭 및 주파수 응답 특성은 펄스폭, 주파수 대역폭에 따라 공간거리 분해능이 변화하기 때문에 각 어종별 어체 내부조직의 차이에 기인하는 산란 신호의 생성 메커니즘을 정량적으로 분석하기 위해서는 매우 넓은 주파수 대역폭을 확보할 필요가 있다. 본 연구에서는 125 kHz (95-220 kHz)의 주파수 대역에 대한 산란신호를 펄스압축처리하여 고분해능의 2차원 산란 맵(2D scattering map)을 작성하고, 이를 토대로 산란신호의 주파수 및 자세각 의존성을 종합적으로 분석하였는데, 그 결과는 Fig.

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